DE60313660T2 - SYNTHETIC ANTIFERROMAGNETIC STRUCTURE FOR A MAGNETOELECTRONIC DEVICE - Google Patents

SYNTHETIC ANTIFERROMAGNETIC STRUCTURE FOR A MAGNETOELECTRONIC DEVICE Download PDF

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Abstract

A nearly balanced synthetic antiferromagnetic (SAF) structure that can be advantageously used in magnetoelectronic devices such as a magnetoresistive memory cell includes two ferromagnetic layers and an antiferromagnetic coupling layer separating the two ferromagnetic layers. The SAF free layer has weakly coupled regions formed in the antiferromagnetic coupling layer by a treatment such as annealing, layering of the antiferromagnetic coupling layer, or forming the antiferromagnetic coupling layer over a roughened surface of a ferromagnetic layer. The weakly coupled regions lower the flop field of the SAF free layer in comparison to untreated SAF free layers. The SAF flop is used during the write operation of such a structure and its reduction results in lower power consumption during write operations and correspondingly increased device performance.

Description

Zugehörige AnmeldungAssociated login

Diese Anmeldung ist verwand mit einer auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragenen, ebenfalls anhängige Anmeldung mit dem Titel "A Method Of Writing To A Scalable Magnetoresistance Random Access To Memory Element" US Serial Number 09/978859 eingereicht am 16. Oktober, 2001.These The application is related to the present applicant Transfer application, also pending Registration with the title "A Method Of Writing To Scalable Magnetoresistance Random Access To Memory Element "US Serial Number 09/978859 filed on October 16, 2001.

Gebiet der ErfindungTerritory of invention

Die Erfindung betrifft magnetoelektronische Halbleitervorrichtungen, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterstrukturen, die nützlich in Vorrichtungen sind, die einen magnetischen Zustand speichern.The This invention relates to magneto-electronic semiconductor devices, and more particularly, the present invention relates to semiconductor structures, the useful in devices that store a magnetic state.

Hintergrund der Erfindungbackground the invention

Die Klasse der Vorrichtungen, die magnetoelektronische Vorrichtungen sind, ist eine breite Klasse, die Motoren, Plattenlaufwerke und bestimmte Halbleiterspeichervorrichtungen umfasst, wie magnetoresistive RAMs (MRAMs) und integrierte Schaltungen, die einen MRAM und andere logische Funktionen als den MRAM enthalten, beispielsweise Funk- und Verarbeitungsschaltkreise. Speichervorrichtungen aller Arten sind ein extrem wichtiger Bestandteil elektronischer Systeme. Die drei meist vorherrschenden Halbleiterspeichertechnologien sind SRAM ("static random access memory"), DRAM ("dynamic random access memory") und FLASH (eine Form von nicht flüchtigem RAM), die im Wesentlichen nicht magnetoelektronisch sind. Jede dieser Speichervorrichtungen verwendet eine elektrische Ladung, um Information zu speichern und jede hat ihre eigenen Vorteile. Ein SRAM besitzt schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, ist aber flüchtig und benötigt eine große Zellenfläche. Ein DRAM besitzt eine hohe Dichte, ist aber auch flüchtig und benötigt alle paar Millisekunden eine Auffrischung des Speicherkondensators. Diese Anforderung erhöht die Komplexität der Steuer- bzw. Regelelektronik.The Class of devices, the magneto-electronic devices is a broad class, the motors, disk drives and motors certain semiconductor memory devices, such as magnetoresistive RAMs (MRAMs) and integrated circuits that use a MRAM and others logical functions as the MRAM, for example wireless and processing circuitry. Storage devices of all types are an extremely important part of electronic systems. The three most prevalent semiconductor memory technologies are SRAM ("static random access memory "), DRAM ("dynamic random access memory ") and FLASH (a form of nonvolatile RAM) that is essentially are not magneto-electronic. Each of these storage devices uses an electrical charge to store information and each has its own advantages. An SRAM has fast read and write speeds, but is fleeting and needs one size Cell area. A DRAM has a high density, but is also volatile and need a refresh of the storage capacitor every few milliseconds. This requirement increases the complexity the control electronics.

FLASH ist die wichtigste nicht flüchtige Speichervorrichtung, die heute verwendet wird. FLASH verwendet in einer erdfreien Oxidschicht gefangene Ladung, um Information zu speichern. Nachteile des FLASH umfassen hohe Spannungsanforderungen und langsame Programmier- und Löschzeiten. Außerdem besitzen FLASH-Speicher eine mangelhafte Schreib-Lebensdauer von 104–106 Zyklen vor einem Speicherversagen. Um einen vernünftigen Datenerhalt aufrecht zu erhalten, muss die Dicke des Gateoxids weiterhin oberhalb der Schwelle bleiben, die eine Elektronentunneling erlaubt, wodurch FLASH-Skalierungstrends beschränkt werden.FLASH is the most important nonvolatile storage device used today. FLASH uses charge trapped in a floating oxide layer to store information. Disadvantages of the FLASH include high voltage requirements and slow program and erase times. In addition, FLASH memories have a poor write lifetime of 10 4 -10 6 cycles before a memory failure. In order to maintain reasonable data retention, the thickness of the gate oxide must remain above the threshold allowed by electron tunneling, thereby limiting FLASH scaling trends.

Um diese Mängel zu überwinden, werden neue magnetische Speichervorrichtungen untersucht. Eine solche Vorrichtung ist das MRAM, das Bits als magnetische Zustände speichert. Ein MRAM besitzt das Potential, Geschwindigkeitsperformance ähnlich zu einem DRAM zu bieten. Um jedoch wirtschaftlich brauchbar zu sein, muss ein MRAM eine zu aktuellen Speichertechnologien vergleichbare Speicherdichte haben, für zukünftige Generationen skalierbar sein, bei geringen Spannungen arbeiten, geringen Energieverbrauch besitzen und konkurrenzfähige Lese-/Schreibgeschwindigkeiten besitzen.Around these defects to overcome, new magnetic storage devices are being investigated. Such Device is MRAM storing bits as magnetic states. An MRAM has the potential to be similar in speed performance to offer a DRAM. However, to be economically viable, An MRAM must be comparable to current storage technologies Have storage density, for future Be scalable for generations, work at low voltages, own low power consumption and competitive read / write speeds have.

Eine bedeutende Energiemenge wird während eines Schreibvorgangs einer MRAM-Zelle in einer MRAM-Vorrichtung mit einem Array von Zellen verbraucht. Der Schreibvorgang besteht aus dem Schicken von Strömen durch leitfähige Leitung, extern aber in enger Nachbarschaft des magnetischen MRAM-Elements. Die von diesen Strömen erzeugten magnetischen Felder sind ausreichend, um den magnetischen Zustand der freien Schicht des magnetischen Elements zu schalten. Zusätzlich steigt, wenn die Bit-Abmessung sinkt, das schaltende Feld für eine gegebene Form und Filmdicke an, wodurch mehr Strom zum Schalten benötigt wird. Wie im Folgenden genauer behandelt wird, sind Daten in dem Magnetisierungszustand der freien Schicht des magnetischen Elements gespeichert.A significant amount of energy gets during a write operation of an MRAM cell in an MRAM device consumed with an array of cells. The writing process exists from sending streams through conductive Lead, external but in close proximity of the magnetic MRAM element. The of these streams generated magnetic fields are sufficient to the magnetic Switching state of the free layer of the magnetic element. additionally As the bit dimension decreases, the switching field increases for a given one Shape and film thickness, which requires more power for switching. As will be discussed in more detail below, data is in the magnetization state stored the free layer of the magnetic element.

Deshalb ist es eine bedeutende Herausforderung zur Kommerzialisierung von MRAM-Vorrichtungen, MRAM-Zellen zu konstruieren, die den magnetischen Zustand unter Verwendung des geringstmöglichen magnetischen Feldes umschalten, was die geringstmöglichen Schreibströme ergibt, während die Integrität der Daten innerhalb des gesamten Arrays von Elementen aufrecht erhalten bleibt.Therefore it is a significant challenge to the commercialization of MRAM devices to construct MRAM cells that use the magnetic State using the lowest possible magnetic field switch over what the lowest possible write currents yields while the integrity of data within the entire array of elements remains.

Deshalb wäre es höchst vorteilhaft, die vorangegangenen und andere dem Stand der Technik inhärente Mängel zu beseitigen. US2002/0036331 betrifft eine magnetische Speicherzelle mit in Serie verbundenen ersten und zweiten magnetoresistiven Vorrichtungen. Die ersten und zweiten magnetoresistiven Vorrichtungen besitzen Abtastschichten mit unterschiedlichen Koerzivitäten.Therefore would it be maximum Advantageously, the foregoing and other deficiencies inherent in the prior art remove. US2002 / 0036331 relates to a magnetic memory cell with series-connected first and second magnetoresistive devices. The first and second magnetoresistive devices have Scanning layers with different coercivities.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Die vorliegende Erfindung ist anhand von Beispielen erklärt und durch die beigefügten Bilder nicht beschränkt, wobei gleiche Referenzen gleiche Elemente anzeigen, und wobei.The The present invention is explained by way of examples and by the attached Pictures not limited, wherein like references indicate like elements, and wherein.

1 eine vereinfachte Schnittansicht einer magnetoresistiven RAM-(MRAM-)Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist; 1 Figure 5 is a simplified sectional view of a magnetoresistive RAM (MRAM) device in accordance with the present invention;

2 eine vereinfachte Schnittansicht einer MRAM-Vorrichtung in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, die eine Savtchenko-Schreibtechnik verwenden; 2 a simplified sectional view of a MRAM device in accordance with embodiments of the present invention using a Savtchenko writing technique;

3 eine vereinfachte Draufsicht eines Teils der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen MRAM-Vorrichtung ist, die Word- und Digit-Leitungen zeigt; 3 a simplified plan view of part of with reference to 2 described MRAM device showing Word and Digit lines;

4 ein Graph ist, der Resultate einer Simulation der magnetischen Feld-Amplitudenkombinationen zeigt, die die Direkt- oder Umschalt-Schreibbetriebsart in der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen MRAM-Vorrichtung erzeugen; 4 FIG. 10 is a graph showing results of a simulation of the magnetic field amplitude combinations using the direct or shift-write mode described with reference to FIG 2 generate MRAM device described;

5 ein zeitlicher Verlaufsgraph ist, der den Word-Strom und den Digit-Strom der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen MRAM-Vorrichtung zeigt; 5 is a timing graph that references the word stream and the digit stream 2 shows the MRAM device described;

6 ein Vektordiagramm ist, das die Rotation der magnetischen Momente einer magnetoresistiven RAM-Vorrichtung für die Umschalt-Schreibbetriebsart, während des Schreibens einer '1' auf eine '0', in die unter Bezugnahme auf 2 beschriebene MRAM-Vorrichtung zeigt; 6 FIG. 12 is a vector diagram illustrating the rotation of the magnetic moments of a magnetoresistive RAM device for the shift-write mode, while writing a '1' to a '0', with reference to FIG 2 shows described MRAM device;

7 ein Vektordiagramm ist, das die Rotation der magnetischen Momente einer magnetoresistiven RAM-Vorrichtung für die Umschalt-Schreibbetriebsart, während des Schreibens einer '0' auf eine '1', in die unter Bezugnahme auf 2 beschriebene MRAM-Vorrichtung zeigt; 7 FIG. 12 is a vector diagram illustrating the rotation of the magnetic moments of a magnetoresistive RAM device for the shift-write mode, while writing a '0' to a '1', with reference to FIG 2 shows described MRAM device;

8 ein Vektordiagramm ist, das die Rotation des magnetischen Moments einer magnetoresistiven RAM-Vorrichtung für die Direkt-Schreibbetriebsart, während des Schreibens einer '1' auf eine '0', in die unter Bezugnahme auf 2 beschriebene MRAM-Vorrichtung zeigt; 8th FIG. 12 is a vector diagram illustrating the rotation of the magnetic moment of a magnetoresistive RAM device for the direct write mode, while writing a '1' to a '0', with reference to FIG 2 shows described MRAM device;

9 ein Vektordiagramm ist, das die Rotation der magnetischen Momente einer magnetoresistiven RAM-Vorrichtung für die Direkt-Schreibbetriebsart, während des Schreibens einer '0' auf einem Zustand, der schon eine '0' ist, in die unter Bezugnahme auf 2 beschriebene MRAM-Vorrichtung zeigt. 9 FIG. 4 is a vector diagram illustrating the rotation of the magnetic moments of a magnetoresistive RAM device for the direct write mode, while writing a '0' to a state already a '0', with reference to FIG 2 described MRAM device shows.

10 ein zeitlicher Verlaufsgraph des Word-Stroms und des Digit-Stroms ist, wenn nur der Digit-Strom in der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen MRAM-Vorrichtung eingeschaltet wird; 10 is a time graph of the word current and the digit current, if only the digit current in referring to 2 is turned on MRAM device described;

11 ein Vektordiagramm ist, das die Rotation der magnetischen Momente einer mangetoresistiven RAM-Vorrichtung zeigt, wenn nur der Digit-Strom in der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen MRAM-Vorrichtung eingeschaltet wird; 11 FIG. 4 is a vector diagram showing the rotation of the magnetic moments of a mangetoresistive RAM device when referring only to the digit current in FIG 2 is turned on MRAM device described;

12 ein Graph ist, der Kurven eines normalisierten magnetischen Moments gegen ein angelegtes Feld für zwei Proben aus nahezu ausgeglichenen synthetischen antiferromagnetischen Strukturen zeigt; 12 Fig. 12 is a graph showing normalized magnetic moment curves versus applied field for two samples of nearly balanced synthetic antiferromagnetic structures;

13 eine vergrößerte Ansicht des Zentralbereichs von 12 ist; 13 an enlarged view of the central area of 12 is;

14 eine perspektivische Zeichnung eines Abschnitts einer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellten synthetischen antiferromagnetischen Struktur ist; 14 Figure 3 is a perspective drawing of a portion of a synthetic antiferromagnetic structure made in accordance with the present invention;

15 und 16 Flussdiagramme von Verfahren zum Herstellen einer magnetoresistiven Tunnelanschluss-Speicherzelle ("tunneling junction memory cell") in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind. 15 and 16 Flowcharts of methods of fabricating a tunneling junction memory cell in accordance with embodiments of the present invention.

Fachleute werden erkennen, dass Elemente in den Figuren zur Einfachheit und Klarheit illustriert sind und nicht notwendiger Weise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Zum Beispiel können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um das Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern.professionals will recognize that elements in the figures for simplicity and Clarity are illustrated and not necessarily drawn to scale are. For example, you can the dimensions of some of the elements in the figures are relative exaggerated to other elements be to the understanding of embodiments to improve the present invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenFull Description of the drawings

Es wird auf 1 Bezug genommen, wobei eine vereinfachte Schnittansicht eines verallgemeinerten MRAM-Arrays 3, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, gezeigt ist. In dieser Illustration ist nur eine einzige mangetoresistive Vorrichtung (oder Zelle) 10 gezeigt, aber es wird verstanden werden, dass das MRAM-Array 3 aus einer Anzahl von MRAM-Vorrichtungen 10 besteht und eine solche Vorrichtung nur zur Vereinfachung der Beschreibung eines Leseverfahrens gezeigt ist.It will open 1 Reference is made to a simplified sectional view of a generalized MRAM array 3 , in accordance with the present invention. In this illustration, only a single mangetoresistive device (or cell) is 10 shown, but it will be understood that the MRAM array 3 from a number of MRAM devices 10 and such a device is shown only to simplify the description of a reading method.

Eine MRAM-Vorrichtung 10 ist eine magnetoresistive Tunnelanschluss-Speicherzelle, oder eine magnetoresistive Tunnelanschlussvorrichtung ("magnetoresistive tunneling junction device" = MTJD), mit zwischen Schreibleitern, das sind eine Word-Leitung 20 und eine Digit-Leitung 30, eingelegten Materialschichten. Word-Leitung 20 und Digit-Leitung 30 beinhalten leitendes Material, durch das ein Strom geleitet werden kann, um ein magnetisches Feld innerhalb der MRAM-Vorrichtung 10 zu induzieren. In dieser Illustration ist Word-Leitung 20 am oberen Ende von MRAM-Vorrichtung 10 positioniert und Digit-Leitung 30, die in einem Winkel von 90° zu Word-Leitung 20 gerichtet ist, ist am unteren Ende von MRAM-Vorrichtung 10 positioniert (s. 3). Ein Fachmann wird erkennen, dass die Leiter, beispielsweise Word-Leitung 20 und Digit-Leitung 30, für einen einwandfreien Lese- und Schreibbetrieb nicht in physischem Kontakt mit den anderen Schichten der MRAM-Vorrichtung 10 sein müssen, die Leiterbahnen müssen nur ausreichend nahe den Regionen sein, an die das magnetische Feld so angelegt wird, dass das magnetische Feld effektiv ist.An MRAM device 10 is a magnetoresistive tunnel junction memory cell, or a magnetoresistive tunneling junction device (MTJD), with between write conductors, that is a word line 20 and a digit line 30 , inserted material layers. Word line 20 and digit line 30 include conductive material through which a current can be conducted to a magnetic field within the MRAM device 10 to induce. In this illustration is word-line 20 at the top of MRAM device 10 positioned and digit line 30 which is at an angle of 90 ° to word pipe 20 is at the bottom of MRAM device 10 positioned (s. 3 ). A person skilled in the art will recognize that the ladder, for example, Word line 20 and digit line 30 , for a perfect read and write operation not in physical contact with the other layers of the MRAM device 10 must be, the interconnects need only be sufficiently close to the regions to which the magnetic field is applied so that the magnetic field is effective.

Eine MRAM-Vorrichtung 10 umfasst eine magnetische Bit-Region 15, eine magnetische Referenz-Region 17 und ein elektrisch isolierendes Material, das eine Schicht bildet, die als eine Tunnelbarriere 16 wirkt, sowie jenen Abschnitten von Word-Leitung 20 und Digit-Leitung 30 die Leiter tragen, die den Betrieb der MRAM-Vorrichtung 10 beeinflussen. Die magnetische Bit-Region 15 und die magnetische Referenz-Region 17 können jeweils mehr als eine Schicht umfassen, wobei einige von ihnen ein damit verbundenes magnetisches Moment besitzen können (alle magnetischen Momente sind hier als Vektoren dargestellt). Zum Beispiel besitzen einige konventionelle MRAMs eine magnetische Bit-Region 15, die eine einzelne ferromagnetische Schicht oder eine mehrschichtige ausgeglichene synthetische antiferromagnetische Region ist. Wie im Folgenden beschrieben ist eine magnetische Bit-Region 15 für die vorliegende Erfindung ein nahezu ausgeglichener mehrschichtiger synthetischer Antiferromagnet. Die magnetische Bit-Region 15 und die magnetische Referenz-Region 17 werden benachbart zu der Tunnelbarriere 16, auf gegenüberliegenden Seiten, positioniert. Ein Widerstand des MTJD ist durch die relativen Polarisationsrichtungen eines magnetischen Bit-Moments und eines magnetischen Referenz-Moments in direktem Kontakt mit der Tunnelbarriere bestimmt. Das magnetische Moment ist eine physikalische Eigenschaft von ferromagnetischen Materialien. Das magnetische Material und der relative Winkel der Polarisation von einer direkt mit der Tunnelbarriere benachbarten Region 15 oder 17 bestimmen den hohen oder niedrigen Zustand. In den hier beschriebenen Ausführungsformen ist die magnetische Bit-Region eine freie ferromagnetische Region, das Bedeutet, dass das magnetische Bit-Moment bei Anwesen heit eines angelegten magnetischen Feldes frei ist zu rotieren. Das magnetische Bit-Moment besitzt, bei der Abwesenheit jeglicher angelegter magnetischer Felder entlang einer magnetischen Achse zwei stabile Polaritäten (Zustände), hier bekannt als die zum Zeitpunkt der Ablagerung des magnetischen Materials und der Herstellung der magnetischen Region 15 des MRAM-Arrays 3 bestimmte einfache Bit-Achse ("bit easy axis"). Eine Achse senkrecht zu der einfachen Bit-Achse ist bekannt als die harte Achse ("hard axis").An MRAM device 10 includes a magnetic bit region 15 , a magnetic reference region 17 and an electrically insulating material that forms a layer that acts as a tunnel barrier 16 acts as well as those sections of Word pipe 20 and digit line 30 the conductors carry the operation of the MRAM device 10 influence. The magnetic bit region 15 and the magnetic reference region 17 each may comprise more than one layer, some of which may have an associated magnetic moment (all magnetic moments are shown as vectors herein). For example, some conventional MRAMs have a magnetic bit region 15 which is a single ferromagnetic layer or a multilayer balanced synthetic antiferromagnetic region. As described below is a magnetic bit region 15 for the present invention, a nearly balanced multilayer synthetic antiferromagnet. The magnetic bit region 15 and the magnetic reference region 17 become adjacent to the tunnel barrier 16 , positioned on opposite sides. A resistance of the MTJD is determined by the relative polarization directions of a bit magnetic moment and a reference magnetic moment in direct contact with the tunnel barrier. The magnetic moment is a physical property of ferromagnetic materials. The magnetic material and the relative angle of polarization of a region directly adjacent to the tunnel barrier 15 or 17 determine the high or low state. In the embodiments described herein, the magnetic bit region is a free ferromagnetic region, which means that the magnetic bit moment is free to rotate in the presence of an applied magnetic field. The magnetic bit moment, in the absence of any applied magnetic fields along a magnetic axis, has two stable polarities (states), known here as at the time of deposition of the magnetic material and production of the magnetic region 15 of the MRAM array 3 certain simple bit axis ("bit easy axis"). An axis perpendicular to the simple bit axis is known as the hard axis.

Es wird auf 2 Bezug genommen, wobei eine Schnittansicht eines Abschnitts eines MRAM-Arrays 5 gezeigt ist, das eine MRAM-Vorrichtung 72 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst, die eine hier in einigen Einzelheiten unter Bezugnahme auf 2–11 beschriebene Savtchenko Schreibtechnik verwendet. MRAM-Vorrichtung 72 besitzt die unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Struktur mit einer verfeinerten Beschreibung, dass die magnetische Bit-Region 15 mindestens drei Schichten umfasst und magnetische Momente eingeschlossen hat, wie unter Bezugnahme auf 2–11. In diesem Beispiel ist eine magnetische Bit-Region 15, die bereitstellt was als eine synthetische antiferromagnetische (im Folgenden als "SAF" bezeichnete) Schicht bekannt ist, eine Drei-Schicht Struktur, die eine zwischen zwei ferromagnetischen Schichten 45 und 55 eingelegte antiparallele Kopplungsschicht 65 besitzt. Die nominellen Dicken 42, 51 der ferromagnetischen Schichten 45, 55 sind in einem Bereich von 5 bis 150 Ångström und die nominelle Dicke 46 der antiparallelen Kopplungsschicht 65 ist in einem Bereich von 3 bis 30 Ångström. In diesem Zusammenhang bedeutet "nominell" eine ungefähre, durchschnittliche Dicke innerhalb normaler Herstellungstoleranzen für die Art von Material und Verfahren, das verwendet wird, um es abzulagern.It will open 2 Referring to FIG. 1, a sectional view of a portion of an MRAM array 5 shown is an MRAM device 72 in accordance with embodiments of the present invention, the one here in some detail with reference to 2 - 11 described Savtchenko used writing technique. MRAM device 72 owns the referring to 1 described structure with a more refined description that the magnetic bit region 15 comprises at least three layers and has included magnetic moments, as with reference to 2 - 11 , In this example is a magnetic bit region 15 which provides what is known as a synthetic antiferromagnetic (hereinafter referred to as "SAF") layer, a three-layer structure comprising one between two ferromagnetic layers 45 and 55 inserted antiparallel coupling layer 65 has. The nominal thicknesses 42 . 51 the ferromagnetic layers 45 . 55 are in the range of 5 to 150 angstroms and the nominal thickness 46 the antiparallel coupling layer 65 is in a range of 3 to 30 angstroms. In this context, "nominal" means an approximate average thickness within normal manufacturing tolerances for the type of material and method used to deposit it.

Ferromagnetische Schichten 45, 55 besitzen jeweils magnetische Momente 58 und 53 (s. 3), die jeweils Vektorwerte M1und M2 besitzen. Weiterhin beinhalten ferromagnetische Schichten 45, 55 mindestens eins der Elemente Ni, Fe, Co, Mn oder Kombinationen davon. Eine Antiparallele Kopplungsschicht 65 beinhaltet ein Material, das eine antiferromagnetische Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten 45, 55 induziert (hier auch ein antiferromagnetisches Austauschmaterial genannt) oder ein Material das Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten 45, 55 verhindert (hier auch ein Beabstandungsmaterial genannt) oder beide. Das antiferromagnetische Austauschmaterial umfasst eins der Elemente Ru, Os, Re, Cr, Rh, Cu, Nb, Mo, W, Ir, V oder Kombinationen davon und ist selbst kein antiferromagnetisches Material; vielmehr ist es eine Kopplungsschicht, die der Schlüssel zum Erzeugen der antiferromagnetartigen Eigenschaften der SAF-Schicht ist. Das Beabstandungsmaterial ist ein Isolator, wobei ein Beispiel Al2O3 ist, oder ein Leiter, wobei einige Beispiele Ta und Al sind. Die antiparallele Kopplungsschicht 65 kann zwei oder mehr Schichten umfassen, wobei jede von ihnen antiferromagnetische Austausch- oder Beabstandungsschichten sein können. Die magnetischen Momente 58, 53 sind gewöhnlich aufgrund der Kopplung der antiparallelen Kopplungsschicht 65 antiparallel orientiert. Die Kopplung kann induziert werden als wenn ein antiferromagnetisches Austauschmaterial als antiparallele Kopplungsschicht 65 verwendet wird oder eine antiparallele Kopplung kann auch erzeugt werden durch die magnetostatischen Felder der ferromagneti schen Schichten in der MRAM-Vorrichtung 72. Deshalb muss die antiparallele Kopplungsschicht 65 nicht notwendigerweise irgendein zusätzliches Koppeln jenseits der wesentlichen Eliminierung der ferromagnetischen Kopplung zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten 45, 55 bereitstellen und könnte deshalb ein Beabstandungsmaterial, zum Beispiel ein Isolator wie AlO, oder ein Leiter, wie Ta oder Al, sein. Zur Erklärung der Savtchenko-Schreibtechnik ist auch ein magnetisches Netto-Moment 40 definiert, das der resultierende Vektor der magnetischen Momente 58 und 53 ist. Auch wird verstanden werden, dass eine magnetische Bit-Region 15 synhetische antiferromagnetische Schicht-Materialstrukturen außer den Drei-Schicht Strukturen beinhalten kann und, dass die Verwendung von Drei-Schicht Strukturen in dieser Ausführung nur illustrativen Zwecken dient. Zum Beispiel könnte eine solche synthetische antiferromagnetische Schicht-Materialstruktur einen Fünf-Schichtenstapel aus einer ferromagnetischen Schicht/antiparallelen Kopplungsschicht/ferromagnetischen Schicht/antiparallelen Kopplungsschicht/ferromagnetischen Schicht Struktur enthalten. Die Anzahl von ferromagnetischen Schichten wird mit N bezeichnet. Um die Beschreibung zu vereinfachen wird nachstehend angenommen, dass N gleich zwei ist, so dass die MRAM-Vorrichtung 72 eine Drei-Schicht Struktur in einer magnetischen Bit-Region 15 mit den magnetischen Momenten 53 und 58, sowie ein magnetisches Netto-Moment 40 enthält. Es sind auch nur die magnetischen Momente einer magnetischen Bit-Region 15 illustriert.Ferromagnetic layers 45 . 55 each have magnetic moments 58 and 53 (S. 3 ) each having vector values M 1 and M 2 . Furthermore, ferromagnetic layers include 45 . 55 at least one of Ni, Fe, Co, Mn or combinations thereof. An antiparallel coupling layer 65 includes a material that exhibits antiferromagnetic exchange coupling between the ferromagnetic layers 45 . 55 induces (also called an antiferromagnetic exchange material here) or a material the exchange coupling between the ferromagnetic layers 45 . 55 prevents (also called a spacer material here) or both. The antiferromagnetic exchange material includes one of Ru, Os, Re, Cr, Rh, Cu, Nb, Mo, W, Ir, V, or combinations thereof, and is not itself an antiferromagnetic material; rather, it is a coupling layer that is the key to generating the antiferromagnetic properties of the SAF layer. The spacer material is an insulator, an example being Al 2 O 3 , or a conductor, with some examples being Ta and Al. The antiparallel coupling layer 65 may comprise two or more layers, each of which may be antiferromagnetic exchange or spacer layers. The magnetic moments 58 . 53 are usually due to the coupling of the antiparallel coupling layer 65 oriented antiparallel. The coupling can be induced as if an antiferromagnetic exchange material as an antiparallel coupling layer 65 or antiparallel coupling may also be generated by the magnetostatic fields of the ferromagnetic layers in the MRAM device 72 , Therefore, the antiparallel coupling layer must 65 not necessarily any additional coupling beyond substantial elimination of the ferromagnetic coupling between the two ferromagnetic layers 45 . 55 and could therefore be a spacer material, for example an insulator such as Al 2 O 3, or a conductor such as Ta or Al. To explain the Savtchenko writing technique is also a magnetic net moment 40 defines that the resulting vector of magnetic moments 58 and 53 is. Also it will be understood that a magnetic bit region 15 synthetic antiferromagnetic layer material structures other than the three-layer structures, and that the use of three-layer structures in this embodiment is for illustrative purposes only. For example, such a synthetic antiferromagnetic layer material structure could include a five-layer stack of ferromagnetic layer / antiparallel coupling layer / ferromagnetic layer / antiparallel coupling layer / ferromagnetic layer structure. The number of ferromagnetic layers is denoted by N. To simplify the description, it is assumed below that N is equal to two, so that the MRAM device 72 a three-layer structure in a magnetic bit region 15 with the magnetic moments 53 and 58 , as well as a net magnetic moment 40 contains. It's just the magnetic moments of a magnetic bit region 15 illustrated.

Die magnetischen Momente 58, 53 in den zwei ferromagnetischen Schichten 45, 55 in der MRAM-Vorrichtung 72 können unterschiedliche Dicken oder Materialen besitzen, um ein durch ΔM = (M2 – M1) gegebenes magnetisches Netto-Moment 40 bereitzustellen. In diesem Fall der Savtchenko-Schreibtechnologie wird diese Drei-Schicht Struktur nahezu ausgeglichen sein; das heißt, ΔM ist weniger als 15 Prozent von dem Durchschnitt von M2 und M1 (sonst einfach als "die Unausgeglichenheit ist geringer als 15 Prozent" bezeichnet) und ist vorzugsweise so nah an Null wie ökonomisch in Produktionslosen produziert werden kann. Die magnetischen Momente der Drei-Schicht Struktur der magnetischen Bit-Region 15 sind frei mit einem angelegten magnetischen Feld zu rotieren. Im Nullfeld wird das magnetische Bit-Moment 58, das das magnetische Moment ist, das mit der Tunnelbarriere 16 benachbart ist, in einer von zwei polarisierten Richtungen entlang der einfachen Achse stabil sein.The magnetic moments 58 . 53 in the two ferromagnetic layers 45 . 55 in the MRAM device 72 may have different thicknesses or materials to give a net magnetic moment given by ΔM = (M 2 - M 1 ) 40 provide. In this case of Savchenko writing technology, this three-layer structure will be almost balanced; that is, ΔM is less than 15 percent of the average of M 2 and M 1 (otherwise referred to simply as "the imbalance is less than 15 percent") and is preferably as close to zero as can be economically produced in production lots. The magnetic moments of the three-layer structure of the magnetic bit region 15 are free to rotate with an applied magnetic field. In the zero field becomes the magnetic bit moment 58 which is the magnetic moment with the tunnel barrier 16 adjacent to be stable in one of two polarized directions along the simple axis.

Ein Messstrom durch die MRAM-Vorrichtung 72, der verwendet wird, um die Polarität des magnetischen Bit-Moments 58 zu lesen, hängt von der Tunnelmagnetoresistenz ab, die durch die Orientierung und Magnituden des magnetischen Bit-Moments 58 und eines magnetischen Referenz-Moments der magnetischen Referenz-Region 17 beherrscht wird. Wenn diese zwei magnetischen Momente parallel sind, dann ist der Widerstand der MRAM-Vorrichtung niedrig und eine Vorspannung wird einen größeren Messstrom durch die MRAM-Vorrichtung 72 induzieren. Dieser Zustand ist definiert als eine "1". Wenn diese zwei magnetischen Momente antiparallel sind, dann ist der Widerstand der MRAM-Vorrichtung hoch und eine angelegte Vorspannung wird einen kleineren Messstrom durch die Vorrichtung induzieren. Dieser Zustand ist definiert als eine "0". Es wird verstanden werden, dass diese Definitionen frei wählbar sind und umgekehrt werden könnten, aber in diesem Beispiel zu illustrativen Zwecken verwendet werden. Folglich wird Datenspeicherung in magnetoresistivem Speicher durch Anlegen magnetischer Felder ausgeführt die verursachen, dass die magnetischen Momente in Region 15 entweder in der parallelen oder der antiparallelen Richtung entlang der einfachen Bit-Achse 59 relativ zu Region 17 orientiert werden und das Lesen des geschriebenen Zustands beruht auf Widerstandsmessungen, die von der Polarität des magnetischen Bit-Moments relativ zu dem magnetischen Referenz-Moment abhängen (der gleiche Ablauf ist wahr für alle hier beschriebenen MRAM-Vorrichtungen).A measuring current through the MRAM device 72 which is used to determine the polarity of the magnetic bit moment 58 To read depends on the tunneling magnetoresistance caused by the orientation and magnitudes of the magnetic bit moment 58 and a reference magnetic moment of the reference magnetic region 17 is mastered. If these two magnetic moments are parallel, then the resistance of the MRAM device is low and a bias becomes a larger sense current through the MRAM device 72 induce. This state is defined as a "1". If these two magnetic moments are anti-parallel, then the resistance of the MRAM device is high and an applied bias voltage will induce a smaller sense current through the device. This state is defined as a "0". It will be understood that these definitions are arbitrary and could be reversed, but used in this example for illustrative purposes. Consequently, data storage in magnetoresistive memory is accomplished by applying magnetic fields that cause the magnetic moments in the region 15 either in the parallel or anti-parallel direction along the simple bit axis 59 relative to region 17 The read and write states are based on resistance measurements that depend on the polarity of the magnetic bit moment relative to the reference magnetic moment (the same procedure is true for all MRAM devices described herein).

Das Verfahren des Schreibens auf die MRAM-Vorrichtung 72 beruht auf von dem Phänomen des Spin-Flop ("spin-flop") für eine nahezu ausgeglichene SAF Drei-Schicht Struktur, was jemandem mit durchschnittlichen Fachkenntnissen wohl bekannt ist. Hier ist der Ausdruck "nahezu ausgeglichen" so definiert, dass M2 und M1 sich um bis zu 15 Prozent voneinander unterscheiden und beinhaltet den Fall, wobei M1 und M2 im Wesentlichen gleich sind. Das Spin-Flop-Phänomen senkt die magnetische Gesamtenergie in einem angelegten Feld durch Drehen der magnetischen Momente der ferromagnetischen Schichten, so dass sie nominell orthogonal zu der angelegten Feldrichtung, aber immer noch vorwiegend antiparallel zueinander sind. Das Drehen, oder der Flop, kombiniert mit einer kleinen Ablenkung jedes ferromagnetischen Moments in die Richtung des angelegten Felds, erklärt die Erniedrigung der magnetischen Gesamtenergie.The method of writing to the MRAM device 72 is based on the phenomenon of spin-flop for a nearly balanced SAF three-layer structure, which is well known to one of ordinary skill in the art. Here, the term "nearly balanced" is defined as M 2 and M 1 differ by up to 15 percent and includes the case where M 1 and M 2 are substantially equal. The spin-flop phenomenon lowers the total magnetic energy in an applied field by rotating the magnetic moments of the ferromagnetic layers so that they are nominally orthogonal to the applied field direction but still predominantly antiparallel to one another. The spinning, or flop, combined with a small deflection of each ferromagnetic moment in the direction of the applied field, explains the lowering of the total magnetic energy.

Eine MRAM-Vorrichtung 72 besitzt vorzugsweise eine Drei-Schicht Struktur, die eine durch ein Längen/Breitenverhältnis in einem Bereich von 1 bis 5 gekennzeichnete, nicht zirkuläre Form besitzt. Es wird verstanden werden, dass die magnetische Bit-Region 15 von MRAM- Vorrichtung 72 andere Formen haben kann, beispielsweise quadratisch, elliptisch, rechteckig oder rautenförmig, aber sie ist zur Vereinfachung als kreisförmig illustriert.An MRAM device 72 preferably has a three-layer structure having a non-circular shape characterized by a length / width ratio in a range of 1 to 5. It will be understood that the magnetic bit region 15 from MRAM device 72 may have other shapes, such as square, elliptical, rectangular or diamond-shaped, but it is illustrated as a circular for simplicity.

Ferner wird während der Herstellung von MRAM-Array 5 jede nachfolgende Schicht (d.h. 30, 55, 65, etc.) in Sequenz abgelagert oder anderweitig gebildet und jede MRAM-Vorrichtung 72 kann definiert werden durch gezieltes Ablagern, Photolithographiebearbeitung, Ätzen, etc. in irgendeiner der in der Halbleiterindustrie bekannten Techniken. Während der Ablagerung von mindestens den ferromagnetischen Schichten 45 und 55, wird ein magnetisches Feld bereitgestellt, um die einfache Bit-Achse festzulegen. Das bereitgestellte magnetische Feld erzeugt eine bevorzugte anisotropische Achse für magnetische Momente 53 und 58. Die einfache Bit-Achse 59 wird ausgewählt, um in einem 45° Winkel zwischen der Word-Leitung 20 und der Digit-Leitung 30 zu sein. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass andere Winkel als 45° verwendet werden könnten.Further, during the production of MRAM array 5 every subsequent layer (ie 30 . 55 . 65 , etc.) are deposited in sequence or otherwise formed and each MRAM device 72 can be defined by selective deposition, photolithography processing, etching, etc. in any of the Semiconductor industry known techniques. During the deposition of at least the ferromagnetic layers 45 and 55 , a magnetic field is provided to set the simple bit axis. The provided magnetic field produces a preferred anisotropic magnetic moment axis 53 and 58 , The simple bit axis 59 is selected to be at a 45 ° angle between the word line 20 and the digit line 30 to be. One skilled in the art will recognize, however, that angles other than 45 ° could be used.

Es wird auf 3 Bezug genommen, wobei eine vereinfachte Draufsicht von Teilen des MRAM-Arrays 5, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, gezeigt ist. Eine magnetische Bit-Region 15 wird in der MRAM-Vorrichtung 72 in 2 als im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisend gezeigt, kann aber alternativ auch eine andere Form, wie die einer ein Seitenverhältnis wesentlich größer als 1 besitzende Ellipse besitzen. Ein Magnetisches Bit-Moment 40 ist entlang einer anisotropischen einfachen Bit-Achse 59 in eine Richtung orientiert, die im Wesentlichen 45 Grad zu einem Schreibleiter, das ist in diesem Beispiel die Word-Leitung 20, hat. Ein anderer Schreibleiter, die Data-Leitung 30, ist orthogonal zu der Word-Leitung 20. Zur Vereinfachung der Beschreibung von MRAM-Vorrichtung 72, werden alle Richtungen auf ein x- und y-Koordinatensystem 100, wie gezeigt, und auf eine Drehrichtung in Uhrzeigersinn 94 und eine Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn 96 referenziert. In einem MRAM-Array 5 ist ein Word-Strom 60 als positiv definiert, wenn er in eine positive x-Richtung fließt und ein Digit-Strom 70 ist als positiv definiert, wenn er in eine positive y-Richtung fließt. Der Zweck von Word-Leitung 20 und Digit-Leitung 30 ist es, ein angelegtes Magnetfeld im inneren von MRAM-Vorrichtung 10 zu erzeugen. Ein positiver Word-Strom 60 wird ein peripheres Word-Magnetfeld, HW 80, induzieren und ein positiver Digit-Strom 70 wird ein peripheres Digit-Magnetfeld, HD 90, induzieren. Da Word-Leitung 20 oberhalb von MRAM-Vorrichtung 10 in der Ebene des Elements ist, wird HW 80 für einen positiven Word-Strom 60 auf MRAM-Vorrichtung 10 in die positive y-Richtung angewandt. In gleicher Weise wird, da Digit-Leitung 30 unter MRAM-Vorrichtung 10 in der Ebene des Elements ist, HD 90 für einen positiven Digit-Strom 70 in der positiven x-Richtung auf MRAM-Vorrichtung 10 angewandt. Es wird verstanden werden, dass die Definitionen für positiven und negativen Stromfluss frei wählbar sind und hier zu illustrierenden Zwecken definiert sind. Der Effekt der Umkehrung des Stromflusses ist die Änderung der Richtung des innerhalb von MRAM-Vorrichtung 10 induzierten magnetischen Feldes. Das Verhalten eines strominduzierten magnetischen Feldes ist dem Fachmann wohl bekannt und wird hier nicht weiter ausgearbeitet werden.It will open 3 Reference is made to a simplified plan view of parts of the MRAM array 5 in accordance with embodiments of the present invention. A magnetic bit region 15 is in the MRAM device 72 in 2 As shown having a substantially circular shape, but may alternatively have another shape, such as having an aspect ratio substantially greater than 1 possessing ellipse. A magnetic bit-moment 40 is along an anisotropic simple bit axis 59 oriented in a direction that is essentially 45 Degree to a write conductor, that's the word line in this example 20 , Has. Another writer, the data line 30 , is orthogonal to the word line 20 , To simplify the description of MRAM device 72 , all directions become an x and y coordinate system 100 , as shown, and in a clockwise direction 94 and a counterclockwise direction of rotation 96 referenced. In an MRAM array 5 is a word stream 60 defined as positive when flowing in a positive x direction and a digit current 70 is defined as positive when flowing in a positive y-direction. The purpose of word-line 20 and digit line 30 it is an applied magnetic field inside of MRAM device 10 to create. A positive word stream 60 becomes a peripheral word magnetic field, H W 80 , induce and a positive digit current 70 becomes a peripheral digit magnetic field, H D 90 induce. Da Word line 20 above MRAM device 10 is in the plane of the element, H W 80 for a positive word stream 60 on MRAM device 10 applied in the positive y direction. In the same way, there is digit line 30 under MRAM device 10 is in the plane of the element, H D 90 for a positive digit current 70 in the positive x direction on MRAM device 10 applied. It will be understood that the definitions of positive and negative current flow are arbitrary and are defined herein for illustrative purposes. The effect of reversing the current flow is changing the direction of the within MRAM device 10 induced magnetic field. The behavior of a current-induced magnetic field is well known to those skilled in the art and will not be further elaborated here.

Um zu Illustrieren wie die Schreibverfahren für das MRAM-Array 5 arbeiten, wird angenommen, dass eine bevorzugte anisotropische Achse für magnetische Momente 53 und 58 in einem 45° Winkel relativ zu den negativen x- und negativen y-Richtungen und in einem 45° Winkel relativ zu den positiven x- und positiven y-Richtungen gerichtet ist. 2 zeigt als Beispiel, dass ein magnetisches Moment 53 in einem 45° Winkel relativ zu den negativen x- und negativen y-Richtungen gerichtet ist. Da ein magnetisches Moment 58 im Allgemeinen antiparallel zu einem magnetischen Moment 53 orientiert ist, ist es in einem 45° Winkel relativ zu den positiven x- und positiven y-Richtungen gerichtet. Diese Anfangsorientierung wird verwendet werden, um Beispiele für Schreibverfahren zu zeigen, die bald diskutiert werden.To illustrate how to write processes for the MRAM array 5 work, it is believed that a preferred anisotropic axis for magnetic moments 53 and 58 at a 45 ° angle relative to the negative x and y negative directions and at a 45 ° angle relative to the positive x and y positive directions. 2 shows as an example that a magnetic moment 53 directed at a 45 ° angle relative to the negative x and y negative directions. Because a magnetic moment 58 generally antiparallel to a magnetic moment 53 oriented, it is directed at a 45 ° angle relative to the positive x and y positive directions. This initial orientation will be used to show examples of writing methods that will be discussed soon.

Es wird auf 4 Bezug genommen, wobei ein Graph Ergebnisse eines simulierten Schaltverhaltens der SAF Drei-Schicht Struktur von einer magnetischen Bit-Region 15 zeigt. Die Simulation verwendet zwei eindomainige magnetische Schichten, die fast das gleiche Moment (eine nahezu ausgeglichene SAF) mit einer intrinsischen Anisotropie besitzen, wobei sie antiferromagnetisch gekoppelt sind und deren Magnetisierungsdynamiken durch die wohlbekannte Landau-Lifshitz Gleichung beschrieben sind. Die x-Achse ist die magnetische Feldamplitude der Word-Leitung in Oersted und die y-Achse ist die magnetische Feldamplitude der Digit-Leitung in Oersted. Die magnetischen Felder werden, wie in einem zeitlichen Verlaufsgraph in 5 gezeigt, in einer Impulssequenz 600 angewendet. Die Impulssequenz 600 beinhaltet Word-Strom 60 und Digit-Strom 70 als Funktionen der Zeit.It will open 4 Reference is made, wherein a graph shows results of a simulated switching behavior of the SAF three-layer structure of a magnetic bit region 15 shows. The simulation uses two single-magnetic layers that have nearly the same moment (a nearly balanced SAF) with intrinsic anisotropy, being antiferromagnetically coupled and whose magnetization dynamics are described by the well-known Landau-Lifshitz equation. The x-axis is the magnetic field amplitude of the word line in oersted and the y-axis is the magnetic field amplitude of the digit line in oersted. The magnetic fields become, as in a time course graph in 5 shown in a pulse sequence 600 applied. The pulse sequence 600 includes word stream 60 and digit current 70 as functions of time.

Es gibt drei magnetische Feld-Arbeitsbereiche, illustriert in 4. In einer magnetischen Feldregion 92 gibt es kein Schalten. Für einen MRAM-Betrieb in einer magnetischen Feldregion 95 ist ein Direkt-Schreibverfahren in Kraft. Wenn das Direkt-Schreibverfahren verwendet wird, gibt es keinen Bedarf den Anfangszustand der MRAM-Vorrichtung zu bestimmen, weil der Zustand nur geschaltet wird, wenn der Zustand der geschrieben wird verschieden ist von dem Zustand der gespeichert ist. Die Auswahl des geschriebenen Zustands ist sowohl durch die Stromrichtung in Word-Leitung 20 als auch in Digit-Leitung 30 bestimmt. Wenn beispielsweise eine '1' geschrieben werden soll, dann wird die Richtung des Stroms in beiden Leitungen positiv sein. Wenn schon eine '1' in dem Element gespeichert ist und eine '1' geschrieben wird, dann wird der Endzustand der MRAM-Vorrichtung weiterhin eine '1' sein. Ferner wird, wenn eine '0' gespeichert ist und eine '1' mit positiven Strömen geschrieben wird, der Endzustand der MRAM-Vorrichtung eine '1' sein. Ähnliche Ergebnisse werden erreicht, wenn eine '0' unter Verwendung negativer Ströme sowohl in den Wordals auch in den Digit-Leitungen geschrieben wird. Daher können beide Zustände ungeachtet ihres Anfangszustands mit der geeigneten Polarität von Strompulsen zu der gewünschten '1' oder '0' programmiert werden,. Überall in dieser Offenbarung wird ein Betrieb in magnetischer Feldregion 95 als "Direkt-Schreibbetriebsart" ("direkt write mode") definiert werden.There are three magnetic field work areas, illustrated in 4 , In a magnetic field region 92 there is no switching. For MRAM operation in a magnetic field region 95 is a direct writing process in place. When the direct write method is used, there is no need to determine the initial state of the MRAM device because the state is switched only when the state written is different from the state stored. The selection of the written state is both by the current direction in word line 20 as well as in digit line 30 certainly. For example, if a '1' is to be written then the direction of the current in both lines will be positive. If a '1' is already stored in the element and a '1' is written, then the final state of the MRAM device will still be a '1'. Further, if a '0' is stored and a '1' is written with positive currents, the final state of the MRAM device will be a '1'. Similar results are achieved when writing a '0' using negative currents in both the word and digit lines. Therefore k Both states, regardless of their initial state, may be programmed with the appropriate polarity of current pulses to the desired '1' or '0'. Throughout this disclosure, operation is in the magnetic field region 95 as "direct write mode".

Für einen MRAM-Betrieb in einer magnetischen Feldregion 97, ist ein Umschalt-Schreibverfahren in Kraft. Wenn das Umschalt-Schreibverfahren verwendet wird, gibt es einen Bedarf den Anfangszustand der MRAM-Vorrichtung vor dem Schreiben zu bestimmen, weil der Zustand jedes Mal geschaltet wird, wenn auf die MRAM-Vorrichtung geschrieben wird, ungeachtet der Richtung der Ströme solange sowohl für Word-Leitung 20 als auch für Digit-Leitung 30 Strompulse glei cher Polarität gewählt werden. Wenn zum Beispiel anfänglich eine '1' gespeichert ist, dann wird der Zustand der Vorrichtung nachdem eine positive Strompulssequenz durch die Word- und Digit-Leitungen geflossen ist zu einer '0' geschaltet. Wiederholen der positiven Strompulssequenz auf den gespeicherten '0'-Zustand kehrt ihn um zu einer '1'. Somit muss der Anfangszustand einer MRAM-Vorrichtung 72 erst gelesen und mit dem zu schreibenden Zustand verglichen werden, um in der Lage zu sein das Speicherelement in den gewünschten Zustand zu schreiben. Das Lesen und Vergleichen kann zusätzliche logische Schaltungen erfordern, einschließlich eines Puffers zum Speichern von Information und eines Komparators zum Vergleichen von Speicherzuständen. Auf MRAM-Vorrichtung 72 wird dann nur geschrieben, wenn der gespeicherte Zustand und der zu schreibende Zustand unterschiedlich sind. Einer der Vorteile von diesem Verfahren ist, dass der Stromverbrauch gesenkt ist, da nur die abweichenden Bits geschaltet werden. Ein zusätzlicher Vorteil unter Verwendung des Umschalt-Schreibverfahrens ist, dass nur uni-polare Spannungen benötigt werden und in Folge dessen kleinere Transistoren verwendet werden können, um die MRAM-Vorrichtung zu betreiben. Überall in dieser Offenbarung wird ein Betrieb in magnetischer Feldregion 97 als "Umschalt-Schreibbetriebsart" ("toggle write mode") definiert werden.For MRAM operation in a magnetic field region 97 , a shift-write method is in effect. When the toggle write method is used, there is a need to determine the initial state of the MRAM device before writing, because the state is switched each time the MRAM device is written, regardless of the direction of the currents as long as for both Word -Management 20 as well as for digit line 30 Current pulses of the same polarity can be selected. For example, if initially a '1' is stored, then the state of the device is switched to a '0' after a positive current pulse sequence has flowed through the word and digit lines. Repeating the positive current pulse sequence to the stored '0' state reverses it to a '1'. Thus, the initial state of an MRAM device must be 72 is first read and compared with the state to be written in order to be able to write the memory element to the desired state. Reading and comparing may require additional logic circuitry, including a buffer for storing information and a comparator for comparing memory states. On MRAM device 72 is then written only if the stored state and the state to be written are different. One of the advantages of this method is that power consumption is reduced because only the offending bits are switched. An additional advantage using the switch-over write method is that only uni-polar voltages are needed, and as a result, smaller transistors can be used to operate the MRAM device. Throughout this disclosure, operation is in the magnetic field region 97 be defined as "toggle write mode".

Wie im Vorangegangenen beschrieben bedingen beide Schreibverfahren unterstützende Ströme in Word-Leitung 20 und Digit-Leitung 30 derart, dass die magnetischen Momente 53 und 58 in einer von zwei bevorzugten Richtungen ausgerichtet werden können. Zur vollständigen Erklärung der zwei Umschalt-Betriebsarten sind nun die zeitliche Entwicklung der magnetischen Momente 53, 58 und 40 beschreibende, spezielle Beispiele angegeben.As described above, both write methods require supporting streams in Word line 20 and digit line 30 such that the magnetic moments 53 and 58 can be aligned in one of two preferred directions. For a complete explanation of the two switching modes, the temporal evolution of the magnetic moments is now 53 . 58 and 40 descriptive, specific examples given.

Es wird nun auf 6 Bezug genommen, wobei ein Vektordiagramm die Umschalt-Schreibbetriebsart zum Schreiben einer '1' auf eine '0' in MRAM-Vorrichtung 72 unter Verwendung von Pulssequenz 600 zeigt. Wie in 2 gezeigt, sind die magnetischen Momente 53 und 58 in dieser Illustration zum Zeitpunkt t0 in den bevorzugten Richtungen orientiert. Diese Orientierung wird als '1' definiert werden.It will be up now 6 With reference to Figure 1, a vector diagram illustrates the toggle write mode for writing a '1' to a '0' in MRAM device 72 using pulse sequence 600 shows. As in 2 shown are the magnetic moments 53 and 58 in this illustration oriented at time t 0 in the preferred directions. This orientation will be defined as '1'.

Zu einem Zeitpunkt t1 wird ein positiver Word-Strom 60 eingeschaltet, der ein in die positive y-Richtung gerichtetes HW 80 induziert. Die Auswirkung eines positiven HW 80 ist es, einen Flop der nahezu ausgeglichenen gegensätzlich ausgerichteten MRAM Drei-Schicht zu verursachen, wobei sie in etwa 90° zu der angelegten Feldrichtung orientiert wird. Die endliche antiferromagnetische Austauschwechselwirkung zwischen ferromagnetischen Schichten 45 und 55 wird den magnetischen Momenten 53 und 58 nun ein Abweichen um einen kleinen Winkel in Richtung der magnetischen Feldrichtung erlauben und ein magnetisches Netto-Moment 40 wird den Winkel zwischen den magnetischen Momenten 53 und 58 schneiden und sich nach HW 80 ausrichten. Daher ist das magnetische Moment 53 in Uhrzeigerrichtung 94 gedreht. Da ein magnetisches Netto-Moment 40 die Vektorsumme der magnetischen Momente 53 und 58 ist, ist das magnetische Moment 58 auch in Uhrzeigerrichtung 94 gedreht.At a time t 1 becomes a positive word stream 60 turned on, which is directed in the positive y direction H W 80 induced. The effect of a positive H W 80 is to cause a flop of the nearly balanced MRAM three-layer aligned, being oriented at about 90 ° to the applied field direction. The finite antiferromagnetic exchange interaction between ferromagnetic layers 45 and 55 becomes the magnetic moments 53 and 58 now allow a deviation by a small angle in the direction of the magnetic field direction and a net magnetic moment 40 will be the angle between the magnetic moments 53 and 58 cut and move to H W 80 align. Therefore, the magnetic moment 53 in the clockwise direction 94 turned. As a net magnetic moment 40 the vector sum of the magnetic moments 53 and 58 is, is the magnetic moment 58 also in clockwise direction 94 turned.

Zu einem Zeitpunkt t2 wird ein positiver Digit-Strom 70 eingeschaltet, der ein positives HD 90 induziert. Folglich wird das magnetische Netto-Moment 40 gleichzeitig durch HW 80 in die positive y-Richtung und durch HD 90 in die positive x-Richtung gerichtet, was den Effekt verur sacht, dass sich das magnetisches Netto-Moment 40 in Uhrzeigerrichtung 94 weiterdreht, bis es im Allgemeinen in einem 45° Winkel zwischen den positiven x- und y-Richtungen orientiert ist. Infolgedessen werden auch die magnetischen Momente 53 und 58 weiter in Uhrzeigerrichtung 94 rotieren.At a time t 2 becomes a positive digit current 70 turned on, which is a positive H D 90 induced. Consequently, the net magnetic moment becomes 40 simultaneously by H W 80 in the positive y-direction and through H D 90 directed in the positive x-direction, causing the effect that the net magnetic moment 40 in the clockwise direction 94 continue to rotate until it is generally oriented at a 45 ° angle between the positive x and y directions. As a result, also the magnetic moments 53 and 58 continue in the clockwise direction 94 rotate.

Zu einem Zeitpunkt t3 wird ein Word-Strom 60 ausgeschaltet, so dass nun nur HD 90 das magnetische Netto-Moment 40 führt, das nun in die positive x-Richtung orientiert werden wird. Beide magnetischen Momente 53 und 58 werden nun im Allgemeinen in Winkeln jenseits ihrer anisotropen harten Achsen-Instabilitätspunkte gerichtet sein.At a time t 3 becomes a word stream 60 turned off, so now only H D 90 the net magnetic moment 40 leads, which will now be oriented in the positive x-direction. Both magnetic moments 53 and 58 will now generally be directed at angles beyond their anisotropic hard axis instability points.

Zu einem Zeitpunkt t4 wird ein Digit-Strom 70 ausgeschaltet, damit keine Kraft des magnetischen Feldes auf das magnetische Netto-Moment 40 wirkt. Folglich werden die magnetischen Momente 53 und 58 in ihre nächsten bevorzugten Richtungen orientiert werden, um die anisotropische Energie zu minimieren. In diesem Fall ist die bevorzugte Richtung für das magnetische Moment 53 bei einem 45° Winkel relativ zu den positiven y- und positiven x-Richtungen. Diese bevorzugte Richtung ist auch um 180° zu der anfänglichen Richtung des magnetischen Moments 53 zum Zeitpunkt t0 gedreht und ist definiert als '0'. Demzufolge wurde die MRAM-Vorrichtung 72 auf eine '0' geschaltet. Es wird verstanden werden, dass eine MRAM-Vorrichtung 72 auch durch eine Rotation der magnetischen Momente 53, 58 und 40 in entgegengesetzter Uhrzeigerrichtung 96, unter Verwendung negativer Ströme sowohl in Word-Leitung 20 als auch in Digit-Leitung 30 geschaltet werden könnte, aber es ist für illustrativen Zwecke anders gezeigt.At a time t 4 becomes a digit current 70 switched off, thus no force of the magnetic field on the net magnetic moment 40 acts. Consequently, the magnetic moments become 53 and 58 in their next preferred directions to minimize the anisotropic energy. In this case, the preferred direction is for the magnetic moment 53 at a 45 ° angle relative to the positive y and positive x directions. This preferred direction is also 180 ° to the initial direction of the magnetic moment 53 rotated at time t 0 and is defined as '0'. As a result, the MRAM device became 72 switched to a '0'. It will be understood that an MRAM device 72 also by a rotation of the magnetic moments 53 . 58 and 40 in the counterclockwise direction 96 , using negative currents both in word line 20 as well as in digit line 30 could be switched, but it is shown differently for illustrative purposes.

Es wird auf 7 Bezug genommen, wobei ein Vektordiagramm die Umschalt-Schreibbetriebsart zum Schreiben ei ner '0' auf eine '1' in einer MRAM-Vorrichtung 72 unter Verwendung einer Pulssequenz 600 zeigt. Illustriert sind die magnetischen Momente 53 und 58, sowie ein magnetisches Netto-Moment 40 zu jedem der Zeitpunkte t0, t1, t2, t3 und t4, die wie im vorangegangenen beschrieben die Fähigkeit zeigen den Zustand von einer MRAM-Vorrichtung 10 mit den gleichen Strom- und magnetischen Feldrichtungen von '0' auf '1' zu schalten. Demzufolge wird der Zustand von einer MRAM-Vorrichtung 72 mit einer Umschalt-Schreibbetriebsart geschrieben, die zu einer magnetischen Feldregion 97 in 4 korrespondiert.It will open 7 With reference to Figure 1, a vector diagram illustrates the toggle write mode for writing a '0' to a '1' in an MRAM device 72 using a pulse sequence 600 shows. Illustrated are the magnetic moments 53 and 58 , as well as a net magnetic moment 40 at each of the times t 0 , t 1 , t 2 , t 3, and t 4 , which, as described above, exhibit the capability of an MRAM device 10 to switch from '0' to '1' with the same current and magnetic field directions. As a result, the state of an MRAM device 72 written with a toggle write mode leading to a magnetic field region 97 in 4 corresponds.

Für die Direkt-Schreibbetriebsart wird angenommen, dass das magnetische Moment 53 in der Magnitude größer ist, als das magnetische Moment 58, so dass das magnetische Moment 40 in die gleiche Richtung weist wie das magnetische Moment 53, aber in einem Nullfeld eine kleinere Magnitude besitzt. Dieses unausgeglichene Moment erlaubt der Dipolenergie, die dazu tendiert das Gesamtmoment nach dem angelegten Feld auszurichten, die Symmetrie der nahezu ausgeglichenen SAF zu brechen. Demzufolge kann ein Schalten, für eine gegebene Polarität der Ströme, nur in eine Richtung erfolgen.For the direct write mode, it is assumed that the magnetic moment 53 is greater in magnitude than the magnetic moment 58 so that the magnetic moment 40 pointing in the same direction as the magnetic moment 53 but has a smaller magnitude in a null field. This unbalanced moment allows the dipole energy, which tends to align the total momentum with the applied field, to break the symmetry of the nearly balanced SAF. As a result, switching for a given polarity of the currents can occur only in one direction.

Es wird auf 8 Bezug genommen, wobei ein Vektordiagramm ein Beispiel für das Schreiben einer '1' auf eine '0' in einer MRAM-Vorrichtung 72 unter Verwendung von der Direkt-Schreibbetriebsart zeigt, wobei eine Pulssequenz 600 verwendet wird. Hier wiederum ist der Speicherzustand anfänglich eine '1', wobei das magnetische Moment 53 in 45° bezüglich der negativen x- und negativen y-Richtungen gerichtet ist und das magnetische Moment 58 in 45° bezüglich der positiven x- und positiven y-Richtungen gerichtet ist. Der Pulssequenz mit positivem Word-Strom 60 und positivem Digit-Strom 70 wie oben beschrieben folgend, erfolgt das Schreiben in einer ähnlichen Weise wie die vorher beschriebene Umschalt-Schreibbetriebsart. Beachte, dass die Momente wieder bei einem Zeitpunkt t1 floppen, aber der resultierende Winkel von 90°, wegen dem unausgeglichenen Moment und der Anisotropie, gekippt ist. Nach Zeitpunkt t4 wurde eine MRAM-Vorrichtung 10 wie gewünscht in den Zustand '0' geschaltet, wobei das magnetische Netto-Moment 40 in einem 45° Winkel in den positiven x- und positiven y-Richtungen orientiert ist. Ähnliche Ergebnisse werden erzielt, wenn eine '0' auf eine '1' geschrieben wird, nur nun mit einem negativem Word-Strom 60 und einem negativem Digit-Strom 70.It will open 8th With reference to Figure 1, a vector diagram illustrates an example of writing a '1' to a '0' in an MRAM device 72 using the direct-write mode, with a pulse sequence 600 is used. Here again, the memory state is initially a '1', with the magnetic moment 53 is directed at 45 ° with respect to the negative x and y directions and the magnetic moment 58 is directed at 45 ° with respect to the positive x and y positive directions. The pulse sequence with positive word current 60 and positive digit current 70 As described above, the writing is done in a similar manner as the previously described toggle write mode. Note that the moments again flop at a time t 1 , but the resulting angle of 90 ° is tilted because of the unbalanced moment and the anisotropy. After time t 4 became an MRAM device 10 as desired switched to the state '0', wherein the net magnetic moment 40 oriented at a 45 ° angle in the positive x and y positive directions. Similar results are obtained when a '0' is written to a '1', but now with a negative word stream 60 and a negative digit current 70 ,

Es wird auf 9 Bezug genommen, wobei ein Vektordiagramm die Drehungen der magnetischen Momente in einer MRAM-Vorrichtung 72 für ein Beispiel für das Schreiben unter Verwendung der Direkt-Schreibbetriebsart zeigt, wenn der neue Zustand der gleiche ist, wie der bereits gespeicherte Zustand. In diesem Beispiel ist bereits eine '0' in einer MRAM-Vorrichtung 72 gespeichert und eine Strom-Pulssequenz 600 wird nun wiederholt, um eine '0' zu speichern. Die magnetischen Momente 53 und 58 versuchen bei einem Zeitpunkt t1 zu floppen, aber da das unausgeglichene magnetische Moment gegen das angelegte magnetische Feld arbeiten muss, ist die Drehung vermindert. Demzufolge gibt es eine zusätzliche Energiebarriere, um aus dem entgegengesetzten Zustand zu drehen. Bei einem Zeitpunkt t2 ist das beherrschende Moment 53 nahezu nach der positiven x-Achse ausgerichtet und weniger als 45° von seiner anfänglichen anisotropischen Richtung entfernt. Bei einem Zeitpunkt t3 ist das magnetische Feld entlang der positiven x-Achse ge richtet. Anstatt weiter im Uhrzeigersinn zu drehen, erniedrigt das System seine Energie nun durch die Änderung der SAF-Moment-Symmetrie bezüglich des angelegten Feldes. Das passive Moment 58 überquert die x-Achse und das System stabilisiert sich mit dem nahe seiner ursprünglichen Ausrichtung zurückgekehrten beherrschenden Moment. Daher wird bei einem Zeitpunkt t4, wenn das magnetische Feld entfernt ist und der in einer MRAM-Vorrichtung 72 gespeicherte Zustand wird eine '0' bleiben. Diese Sequenz illustriert den Mechanismus der als magnetische Feldregion 95 in 4 gezeigten Direkt-Schreibbetriebsart. Um eine '0' zu schreiben, wird demzufolge in dieser Konvention ein positiver Strom sowohl in Word-Leitung 20 als auch in Digit-Leitung 30 benötigt und umgekehrt, um eine '1' zu schreiben, ein negativer Strom sowohl in Word-Leitung 20 als auch in Digit-Leitung 30 benötigt.It will open 9 With reference to Figure 1, a vector diagram illustrates the rotations of the magnetic moments in an MRAM device 72 for an example of the write using the direct write mode, if the new state is the same as the already stored state. In this example, a '0' is already in an MRAM device 72 stored and a current pulse sequence 600 is now repeated to store a '0'. The magnetic moments 53 and 58 try to flop at a time t 1 , but since the unbalanced magnetic moment must work against the applied magnetic field, the rotation is reduced. As a result, there is an additional energy barrier to turn from the opposite state. At a time t 2 is the dominant moment 53 Aligned almost to the positive x-axis and less than 45 ° from its initial anisotropic direction. At a time t 3 , the magnetic field is aligned along the positive x-axis. Instead of continuing to turn clockwise, the system now lowers its energy by changing the SAF momentum symmetry with respect to the applied field. The passive moment 58 crosses the x-axis and the system stabilizes with the dominant moment returned near its original orientation. Therefore, at time t 4 , when the magnetic field is removed and that in an MRAM device 72 stored state will remain a '0'. This sequence illustrates the mechanism of the magnetic field region 95 in 4 direct write mode shown. Consequently, in order to write a '0', there is a positive current in both word-line in this convention 20 as well as in digit line 30 needed and vice versa to write a '1', a negative stream both in word line 20 as well as in digit line 30 needed.

Wenn größere Felder angelegt werden, übersteigt die mit einem Flop verbundene Energieerniedrigung eventuell die von der Dipolenergie des unausgeglichenen Moments erzeugte zusätzliche Energiebarriere, die einen Umschaltvorgang verhindert. An diesem Punkt wird ein Umschaltvorgang stattfinden und das Schalten wird durch eine magnetische Feldregion 97 beschrieben.When larger fields are applied, the energy decrease associated with a flop may exceed the extra energy barrier created by the dipole energy of the unbalanced moment, which prevents switching. At this point, a switching operation will take place and switching will be through a magnetic field region 97 described.

Eine Magnetische Feldregion 95, in der die Direkt-Schreibbetriebsart angewendet wird, kann erweitert werden, d.h. eine Umschaltbetriebsart magnetischer Feldregion 97 kann, wenn die Zeitpunkte t3 und t4 gleich sind oder so gleich wie möglich gemacht werden, zu höheren magnetischen Feldern bewegt werden. In diesem Fall startet die magnetische Feldrichtung bei 45° bezüglich der Bit-Anisotropieachse wenn ein Word-Strom 60 einschaltet und bewegt sich dann nach parallel zu der Bit-Anisotropieachse wenn ein Digit-Strom 70 einschaltet. Dieses Beispiel ist ähnlich zu der üblichen Anwendungssequenz des magnetischen Feldes. Jedoch schalten Word-Strom 60 und Digit-Strom 70 nun im Wesentlichen gleichzeitig aus, so dass die magnetische Feldrichtung nicht mehr weiter dreht. Deshalb muss das angelegte Feld groß genug sein, so dass das magnetische Netto-Moment 40 sowohl mit Word-Strom 60 als auch Digit-Strom 70 eingeschaltet schon jenseits seines harten Achse-Instabilitätspunktes bewegt wurde. Ein Umschalt-Schreibbetriebsart-Ereignis wird nun weniger wahrscheinlich stattfinden, da die magnetische Feldrichtung nun nur um 45°, anstatt wie zuvor um 90°, gedreht ist. Ein Vorteil im Wesentlichen zusammenfallende Abfallzeitpunkte t3 und t4 zu besitzen ist, dass es nun keine zusätzlichen Beschränkungen in der Reihenfolge der Feldanstiegszeitpunkte t1 und t2 gibt. Folglich können die magnetischen Felder in jeder Reihenfolge einschaltet werden, oder können auch im Wesentlichen Zusammenfallen.A magnetic field region 95 in which the direct write mode is applied, can be extended, that is, a magnetic field region switching mode 97 For example, when the times t 3 and t 4 are the same or made as equal as possible, they can be moved to higher magnetic fields become. In this case, the magnetic field direction starts at 45 ° with respect to the bit anisotropy axis when a word current 60 turns on and then moves parallel to the bit anisotropy axis when a digit current 70 turns. This example is similar to the usual application sequence of the magnetic field. However, turn on Word power 60 and digit current 70 now essentially at the same time, so that the magnetic field direction does not turn any further. Therefore, the applied field must be large enough so that the net magnetic moment 40 both with word-stream 60 as well as digit current 70 already moved beyond its hard axis instability point. A toggle write mode event will now be less likely to occur because the magnetic field direction is now rotated only 45 °, rather than 90 ° as before. An advantage of having substantially coincident fall times t 3 and t 4 is that there are now no additional restrictions in the order of field rise times t 1 and t 2 . As a result, the magnetic fields can be turned on in any order, or can also substantially coincide.

Die unter Bezugnahme auf 4-13 beschriebenen Schreibverfahren, hier die Savtchenko-Schreibtechnik genannt, sind höchst selektiv, weil nur die MRAM-Vorrichtung die Zustände schalten wird, die sowohl Word-Strom 60 als auch Digit-Strom 70 zwischen Zeitpunkt t2 und Zeitpunkt t3 eingeschaltet hat. Diese Eigenschaft ist in den 12 und 13 illustriert. 10 ist ein zeitlicher Verlaufgraph, der eine in einer MRAM-Vorrichtung 72 verwendete Pulssequenz 600 zeigt, wenn kein Word-Strom 60 eingeschaltet ist und ein Digit-Strom 70 eingeschaltet ist. 11 ist ein Vektordiagramm, das das zugehörige Verhalten des Zustandes einer MRAM-Vorrichtung 72 zeigt. Zu einem Zeit punkt t0 sind die magnetischen Momente 53 und 58, sowie ein magnetisches Netto-Moment 40, wie in 3 beschrieben orientiert. In Pulssequenz 600 ist ein Digit-Strom 70 bei einem Zeitpunkt t1 eingeschaltet. Während dieser Zeit wird HD 90 das magnetische Netto-Moment 40 veranlassen in der positiven x-Richtung gerichtet zu werden.The referring to 4 - 13 described writing method, here called the Savtchenko writing technique are highly selective, because only the MRAM device will switch the states, both word current 60 as well as digit current 70 between time t 2 and time t 3 has turned on. This property is in the 12 and 13 illustrated. 10 is a time history graph illustrating one in an MRAM device 72 used pulse sequence 600 shows if no Word stream 60 is turned on and a digit current 70 is turned on. 11 is a vector diagram showing the associated behavior of the state of an MRAM device 72 shows. At a time point t 0 are the magnetic moments 53 and 58 , as well as a net magnetic moment 40 , as in 3 described oriented. In pulse sequence 600 is a digit stream 70 switched on at a time t 1 . During this time, H D 90 the net magnetic moment 40 cause to be addressed in the positive x-direction.

Da Word-Strom 60 niemals eingeschaltet wird, werden die magnetischen Momente 53 und 58 niemals durch ihre anisotropen harten Achse-Instabilitätspunkte gedreht. Als ein Ergebnis werden sich die magnetischen Momente 53 und 58 in der nächsten bevorzugten Richtung selbst reorientieren, wenn ein Digit-Strom 70 zu einem Zeitpunkt t3 ausgeschaltet wird, was in diesem Fall die anfängliche Richtung zu einem Zeitpunkt t0 ist. Demzufolge ist der Zustand einer MRAM-Vorrichtung 42 nicht geschaltet. Es wird verstanden werden, dass das gleiche Ergebnis eintreten wird, wenn ein Word-Strom 60 zu den oben beschriebenen gleichen Zeitpunkten eingeschaltet wird und kein Digit-Strom 70 eingeschaltet wird. Darüber hinaus wird verstanden werden, dass sogar wenn sowohl der Word-Strom als auch der Digit-Strom 70 beide gleichzeitig mit konstanten Magnituden eingeschaltet werden, das gleiche Ergebnis eintreten wird. Diese Eigenschaft stellt sicher, dass nur eine MRAM-Vorrichtung in einem Array geschaltet wird, während die anderen Vorrichtungen in ihren anfänglichen Zuständen bleiben. Als Ergebnis ist ungewolltes Schalten vermieden und die Bit-Fehlerrate ist minimiert. Folglich gibt es bei einer analog zu der für die MRAM-Vorrichtung 71 verwendeten, unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschriebenen Vorgehensweise eine Region von Werten für das angelegte magnetische Feld, innerhalb derer es Gewissheit gibt, dass das magnetische Bit-Moment nicht von einer stabilen Polarität zu einer anderen in der einfachen Bit-Achse 59 gedreht wird. Diese Region von werten korrespondiert zu der unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen magnetischen Feldregion 92, obwohl ein Fachmann erkennen wird, dass die Größe der nicht-schaltenden magnetischen Feldregion für ein kommerziell vertriebenes MRAM etwas kleiner sein wird als die illustrierte Größe der magnetischen Feldregion wie für eine Vorrichtung simuliert, um Herstellungsschwankungen zu berücksichtigen.Because Word stream 60 never turns on, the magnetic moments 53 and 58 never rotated through their anisotropic hard axis instability points. As a result, the magnetic moments will become 53 and 58 reorient itself in the next preferred direction if a digit stream 70 is turned off at a time t 3 , which in this case is the initial direction at a time t 0 . Consequently, the state of an MRAM device 42 not switched. It will be understood that the same result will occur when a word stream 60 is turned on at the same times described above and no digit current 70 is turned on. In addition, it will be understood that even if both the word current and the digit current 70 Both are switched on simultaneously with constant magnitudes, the same result will occur. This feature ensures that only one MRAM device is switched in an array while the other devices remain in their initial states. As a result, unwanted switching is avoided and the bit error rate is minimized. Consequently, there is an analogous to that for the MRAM device 71 used, with reference to 2 and 3 describe a region of values for the applied magnetic field within which there is certainty that the bit magnetic moment does not change from one stable polarity to another in the simple bit axis 59 is turned. This region of values corresponds to that with reference to 4 described magnetic field region 92 For example, although one skilled in the art will recognize that the size of the non-switching magnetic field region for a commercially-available MRAM will be somewhat smaller than the illustrated size of the magnetic field region as simulated for a device to account for manufacturing variations.

Eine entscheidende Performance-Charakteristik der MRAM-Vorrichtung 72 ist die Energie, die verwendet wird, um Information in sie schreiben, wobei die Energie direkt zusammenhängt mit der zum Schalten benötigten Feldstärke (hier auch als das "Flop-Feld" bezeichnet). Ein Fachmann wird erkennen, dass die Stärke eines, um das magnetische Material einer nahezu ausgeglichenen SAF zum Kippen zu veranlassen benötigten, angelegten magnetischen Feldes bestimmt ist durch die Anisotropie der SAF-Struktur (magnetische Bit-Region 15) und dem Sättigungsfeld der SAF-Struktur (nicht gezeigt in 4). Diese Parameter sind wiederum das Resultat von Konstruktionsentscheidungen, die während der Auslegung der MRAM-Vorrichtung 72 gemacht werden, um viele Aspekte der MRAM-Produktion und Performance zu optimieren. Für einen besonderen Zusammenhang von Feldkomponenten (wie HW = HD), wird das Flop-Feld, das benötigt wird, um ein Floppen des magnetischen Moments zu bewirken, konventionell durch Hflop = sqrt(Hk·Hsat) modelliert, wobei Hflop die zum Schalten in der Umschalt-Betriebsart benötigte Feldstärke ist, Hk die Anisotropie ist und Hsat das SAF-Sättigungsfeld der Struktur ist. In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung überwinden je doch kleine in der MRAM-Vorrichtung 72 verteilte Regionen, hier "schwachkoppelnde Regionen" ("weakly couppled regions" WCR) genannt, die während der Herstellung der MRAM-Vorrichtung 72 erzeugt werden, die im Rest der Probe vorhandene antiferromagnetische Kopplung, Sättigen und werden in viel geringeren Feldern als Hsat ferromagnetisch ausgerichtet. Diese Regionen verursachen eine Herabsetzung von Hflop in einer in einigen Experimenten gemessenen Höhe von ungefähr 50% des durch die obige Formel gegebenen. Ein Fachmann wird erkennen, dass diese Herabsetzung den Energieverbrauch eines MRAM-Arrays wesentlich reduziert und deshalb ein wünschenswerter Vorteil ist. Zusätzlich zum Aufweisen eines Messbar reduzierten Flop-Feldes (wenn mit dem konventionellen Modell verglichen) sind die WCR gekennzeichnet durch eine extrapolierte magnetische Remanenz, die in nahezu ausgeglichenen SAF-Strukturen, die nicht wie hier im Folgenden beschrieben gebildet werden, nicht vorhanden ist.A decisive performance characteristic of the MRAM device 72 is the energy that is used to write information into it, where the energy is directly related to the field strength needed for switching (also referred to herein as the "flop field"). One skilled in the art will recognize that the strength of an applied magnetic field required to cause the magnetic material of a nearly balanced SAF to flip is determined by the anisotropy of the SAF structure (magnetic bit region 15 ) and the saturation field of the SAF structure (not shown in FIG 4 ). These parameters, in turn, are the result of design decisions made during the design of the MRAM device 72 made to optimize many aspects of MRAM production and performance. For a particular context of field components (such as H W = H D ), the flop field needed to cause the magnetic moment to flop is conventionally modeled by H flop = sqrt (H k * H sat ) H flop is the field strength needed to switch in the switching mode, H k is the anisotropy and H sat is the SAF saturation field of the structure. However, in accordance with the preferred embodiment of the present invention, small ones overcome in the MRAM device 72 distributed regions, here "weakly-coupled regions" (WCR), during the fabrication of the MRAM device 72 are generated, the existing in the rest of the sample antiferromagnetic coupling, saturating and are ferromagnetic aligned in much smaller fields than H sat . These Regions cause a reduction of H flop in a height measured in some experiments of about 50% of that given by the formula above. One skilled in the art will recognize that this reduction substantially reduces the power consumption of an MRAM array and is therefore a desirable advantage. In addition to having a measurably reduced flop field (when compared to the conventional model), the WCRs are characterized by an extrapolated magnetic remanence that is absent in nearly balanced SAF structures that are not formed as described hereinafter.

Es wird auf 12 Bezug genommen, wobei ein Graph Kurven eines normalisierten magnetischen Moments gegen ein entlang der magnetischen einfachen Achse angelegtes Feld für zwei Proben von nahezu ausgeglichenen synthetischen antiferromagnetischen Strukturen zeigt; wobei eine in einer konventionellen Weise hergestellte Probe ist, hier bekannt als die konventionelle SAF, und die andere in Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Diese sind lose Proben, wobei die SAF aus ferromagnetischen Schichten von NiFe und einem antiferromagnetischen Austauschkopplungsmaterial aus Ru konstruiert ist. Die Anisotropie für diese Struktur ist 5 Oe. Kurve 1405 ist die graphische Darstellung des normalisierten magnetischen Moments gegen ein angelegtes Feld für die in einer konventionellen Weise hergestellte Probe. Das Niedrigfeldverhalten von Kurve 1405 kann besser in 13 gesehen werden, die eine vergrößerte Ansicht des Zentralabschnitts von 12 ist. Es kann gesehen werden, dass es anfänglich keine Änderung in dem Moment gibt, während das Feld vom Nullfeld erhöht wird. Das korrespondiert zu einer Nicht-Änderung im Magnetisierungszustand für die Probe über diesem Feldbereich. Wenn das Feld 1435 erreicht, ein Wert von in diesem Fall ungefähr 35 Oe für das Feld, gibt es eine plötzliche Änderung in dem Netto-Moment der Probe. Dies korrespondiert zu dem vorher erwähnten SAF-Flop und der Wert des Feldes an diesem Punkt, Hflop1, wird das Flop-Feld genannt. Die Momente der zwei Schichten sind im Wesentlichen antiparallel, aber nun um 90° gedreht zu der angelegten Feldrichtung orientiert. Während das angelegte Feld weiter anwächst gibt es eine lineare Region, die zu dem abnehmenden Winkel zwischen den Momenten der zwei Schichten korrespondiert, während jedes Moment mehr und mehr in Richtung des angelegten Feldes zeigt. Wenn das angelegte Feld einen Wert von angelegtem Feld, 1425, erreicht, zeigen beide Momente in die Richtung des angelegten Feldes und das Probenmoment ist gesättigt. Dieser Wert ist ungefähr 255 Oe für diese Probe. Ein Fachmann kann erkennen, dass diese Werte für Hk (5 Oe), Hsat (255 Oe) und das Flop-Feld Hflop1 (35 Oe) gute Übereinstimmung mit dem oben erwähnten Modell bereitstellen; 35 ist ungefähr gleich sqrt(5·255). Auch ist in 12 und 13 eine Extrapolation der linearen Antwort des Moments mit einem Feld zurück auf ein Nullfeld 1415 gezeigt. Für eine konventionelle SAF 1405 ist der Wert der Extrapolation auf ein Nullfeld Null.It will open 12 Referring now to the drawings, one graph shows normalized magnetic moment curves versus one simple magnetic axis applied field for two samples of nearly balanced synthetic antiferromagnetic structures; which is a sample prepared in a conventional manner, known here as the conventional SAF, and the other prepared in accordance with the preferred embodiments of the present invention. These are loose samples where the SAF is constructed of ferromagnetic layers of NiFe and an antiferromagnetic exchange coupling material of Ru. The anisotropy for this structure is 5 Oe. Curve 1405 Figure 12 is a plot of the normalized magnetic moment against an applied field for the sample prepared in a conventional manner. The low field behavior of curve 1405 can be better in 13 be seen, which is an enlarged view of the central portion of 12 is. It can be seen that there is initially no change in the moment the field is raised from the zero field. This corresponds to a non-change in magnetization state for the sample over this field region. If the field 1435 reaches a value of in this case about 35 Oe for the field, there is a sudden change in the net moment of the sample. This corresponds to the aforementioned SAF flop and the value of the field at this point, H flop1 , is called the flop field. The moments of the two layers are substantially antiparallel, but now oriented at 90 ° to the applied field direction. As the applied field continues to grow, there is a linear region that corresponds to the decreasing angle between the moments of the two layers as each moment points more and more towards the applied field. When the applied field reaches a value of applied field, 1425, both moments point in the direction of the applied field and the sample moment is saturated. This value is about 255 Oe for this sample. One skilled in the art will recognize that these values for H k (5 Oe), H sat (255 Oe) and the flop field H flop1 (35 Oe) provide good agreement with the model mentioned above; 35 is approximately equal to sqrt (5 x 255). Also is in 12 and 13 an extrapolation of the linear response of the moment with a field back to a null field 1415 shown. For a conventional SAF 1405 is the value of extrapolation to a null field zero.

Kurve 1410, gezeigt in den 12 und 13, ist die Kurve eines normalisierten Moments gegen ein angelegtes Feld für die in Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellte SAF-Probe. Es ist die gleiche oben erwähnte Probe nach Ausheilen. Nun wird auf 13 Bezug genommen, wobei gesehen werden kann, dass die Kurve 1410 ein ähnliches Verhalten im Niedrigfeldabschnitt der Kurve besitzt, wo das angelegte Feld nahe Null ist. Das Nullfeldverhalten der in Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellten SAF-Struktur ist identisch zu dem einer in konventioneller Weise hergestellten SAF; wobei die Probe bei Nullfeld vollständig antiferromagnetisch gekoppelt ist. Da Lesen bei Nullfeld ausgeführt wird, ist es höchst vorteilhaft, wenn das Nullfeldverhalten der in Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellten SAF-Struktur identisch zu dem einer in der konventionellen Weise hergestellten SAF ist. Jedoch wird ein Fachmann erkennen, dass der Wert (Stärke) 1440 des angelegten magnetischen Feldes bei dem der Flop des magnetischen Moments stattfindet, Hflop2, beinahe die Hälfte (ungefähr 18 Oersted) des Flop-Feldes 1435 (ungefähr 35 Oersted), Hflop1, für die konventionell hergestellte SAF-Probe ist. Desweiteren zeigt die Kurve 1410 für diese in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellte SAF-Probe, dass das magnetische Moment bei einer angelegten Feldstärke 1430, Hsat2, von ungefähr 208 Oersted Sättigung erreicht. Im Gegensatz zu der oben erwähnten konventionellen SAF, gibt es hier keine Übereinstimmung zwischen den werten Hk (5 Oe), Hsat (208 Oe) und dem Flop-Feld Hflop1 (18 Oe); 18 ist nicht gleich sgrt(5·208). Das Flop-Feld für die in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellte Probe, erniedrigt das Flop-Feld unter eine SAF mit einer ähnlichen Anisotropie und SAF-Sättigung und reduziert folglich die Energie die verwendet wird um Information zu schreiben.Curve 1410 , shown in the 12 and 13 FIG. 12 is the normalized torque versus applied field curve for the SAF sample produced in accordance with the preferred embodiments of the present invention. It is the same sample mentioned above after annealing. Now it will open 13 Reference is made, wherein it can be seen that the curve 1410 has a similar behavior in the low field portion of the curve where the applied field is close to zero. The zero-field behavior of the SAF structure produced in accordance with the preferred embodiments of the present invention is identical to that of a conventionally prepared SAF; wherein the sample is completely antiferromagnetically coupled at zero field. Since zero field read is performed, it is highly advantageous if the zero field behavior of the SAF structure fabricated in accordance with the preferred embodiments of the present invention is identical to that of a conventionally produced SAF. However, one skilled in the art will recognize that the value (strength) 1440 of the applied magnetic field at which the magnetic moment flop occurs, H flop2 , nearly half (about 18 oersteds) of the flop field 1435 (about 35 oersted ), H flop1 , for which conventionally prepared SAF sample is. Furthermore, the curve shows 1410 for this SAF sample prepared in accordance with the preferred embodiment of the present invention, that the magnetic moment at an applied field strength 1430 , H sat2 , reached about 208 oersted saturation. In contrast to the conventional SAF mentioned above, there is no match between the values H k (5 Oe), H sat (208 Oe) and the flop field H flop1 (18 Oe); 18 is not equal to sgrt (5 x 208). The flop field for the sample prepared in accordance with the preferred embodiment of the present invention lowers the flop field below a SAF with similar anisotropy and SAF saturation, and thus reduces the energy used to write information.

Außerdem ist in 12 und 13 eine Extrapolation 1420 eines linearen Abschnitts von Plot 1410, auf ungefähr 0.12 entlang der vertikalen, normalisierten Moment-Achse gezeigt, wenn das angelegte Feld Null ist. Dieser Schnittpunkt wird hier die extrapolierte Remaneszenz genannt. Die WCR verursachen die extrapolierte Remaneszenz, die die in Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellte Probe von nahezu ausgeglichener (SAF) Struktur aufweist. Von der Theorie nicht vorausgesagt wird angenommen, dass diese schwachkoppelnden Regionen der SAF eine antiparallele Ausrichtung zwischen den ferromagnetischen Schichten bei Nullfeld beibehalten, sich also in ähnlicher Weise wie eine konventionelle SAF verhalten. Dies höchstwahrscheinlich aufgrund der Austauschkopplung zwischen diesen Regionen und des umgebenen ferromagnetischen Materials, das noch eine starke antiparallele Kopplung erfährt. Jedoch sättigen die WCR bei einem Feld niedriger als das konventionelle Flop-Feld und werden ferromagnetisch ausgerichtet. Das ist bewiesen durch den größeren Anstieg des Moments nach dem Flop-Übergang für die SAF mit WCR als ohne. Dieses Feld, bei dem diese WCR sättigen korrespondiert mit einem reduzierten Flop-Feld für die SAF. Es wird angenommen, dass die Magnetisierungsänderung in diesen WCR den erniedrigten Flop für die gesamte Probe induziert. Die Sättigung der WCR ist aus dem identischen linearen Zusammenhang zwischen Moment und angelegtem Feld für die verbleibende Hystereseschleife zwischen der SAF mit und ohne die WCR abgeleitet. Bei dieser Theorie addieren die WCR Moment bis der Flop vollständig ist (gesättigt) und anschließend weisen die verbleibenden Regionen der Probe, die noch antiferromagnetisch gekoppelt sind, durch die Sättigung eine ähnliche Antwort zum Feld auf. Extrapolieren dieser linearen Region zurück auf das Nullfeld stellt einen Weg bereit die Menge des Moments der Probe, die in diesen WCR enthalten ist, zu quantifizieren und definiert die oben erwähnte extrapolierte Remaneszenz. Für diese Probe bilden diese Regionen etwa 12% der gesamten Fläche. Eine konventionelle SAF wird eine extrapolierte Remaneszenz von Null besitzen, da solch eine SAF keine von diesen leicht sättigenden WCR besitzt. Hinweise aus der Röntgenstrahlbeugung unterstützen die Ideen, dass diese Regionen nicht das Resultat von einem signifikanten strukturellen Defekt der Struktur sind, sondern eher ein dünner Punkt, an dem sich die geschwächte Kopplung zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten entwickeln kann. Das ähnliche Verhalten der linearen Region nach dem Flop, wenn eine SAF mit den WCR mit einer ohne die WCR verglichen wird, unterstützt auch die Idee, dass es in der Mehrheit der Probe keine signifikante Änderung gibt; sie verhält sich gleich und unterstützt die Theorie, dass sich der Unterschied in dem während dem Flop addierten Moment befindet. Basierend auf den Experimenten ist eine obere Grenze für den Prozentsatz der Fläche der Probe, den diese Regionen bilden können, ohne eine signifikante echte Remaneszenz in einer SAF bereitzustellen, ungefähr 20%. Wenn die SAF-Struktur bei höheren Temperaturen ausgeheilt wäre, als der in Übereinstimmung mit einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten, würden diese Regionen wachsen und sogar bei Nullfeld ferromagnetisch gekoppelt bleiben. Bei solch einem Hochtemperaturausheilen bilden sich physikalische Brücken zwischen den ferromagnetischen Schichten, überwinden die antiparallele Kopplung in den den Kontaktpunkt umgebenden Regionen und verursachen echte (nicht extrapolierte) Remaneszenz.It is also in 12 and 13 an extrapolation 1420 a linear section of Plot 1410 , shown at approximately 0.12 along the vertical normalized moment axis when the applied field is zero. This intersection is called the extrapolated remanence here. The WCRs cause extrapolated remanence, which is the Pro., Prepared in accordance with the preferred embodiments of the present invention be of nearly balanced (SAF) structure. Not predicted by theory, it is believed that these weak coupling regions of the SAF maintain an antiparallel alignment at zero field between the ferromagnetic layers, thus behaving in a similar manner to a conventional SAF. This is most likely due to the exchange coupling between these regions and the surrounding ferromagnetic material which still experiences strong antiparallel coupling. However, the WCR saturate at one field lower than the conventional flop field and become ferromagnetic aligned. This is evidenced by the larger increase in the moment after the flop transition for the SAF with WCR than without. This field, which saturates this WCR, corresponds to a reduced flop field for the SAF. It is believed that the magnetization change in this WCR induces the lowered flop for the entire sample. The saturation of the WCR is derived from the identical linear relationship between moment and applied field for the remaining hysteresis loop between the SAF with and without the WCR. In this theory, the WCR add moment until the flop is complete (saturated), and then the remaining regions of the sample, which are still antiferromagnetically coupled, have a similar response to the field due to saturation. Extrapolating this linear region back to zero field provides a way to quantify the amount of momentum of the sample contained in this WCR and defines the above-mentioned extrapolated remanence. For this sample, these regions make up about 12% of the total area. A conventional SAF will have extrapolated remanence of zero because such a SAF has none of these lightly saturated WCR. Evidence from X-ray diffraction supports the idea that these regions are not the result of a significant structural defect in the structure, but rather a thin point at which the weakened coupling between the two ferromagnetic layers can develop. The similar behavior of the linear region after the flop, when comparing a SAF with the WCR with one without the WCR, also supports the idea that there is no significant change in the majority of the sample; it behaves the same and supports the theory that the difference is in the moment added during the flop. Based on the experiments, an upper limit to the percentage of the area of the sample that these regions can form without providing significant true remanence in a SAF is about 20%. If the SAF structure were annealed at higher temperatures than that used in accordance with an embodiment of the present invention, these regions would grow and remain ferromagnetically coupled even at zero field. In such high temperature annealing, physical bridges form between the ferromagnetic layers, overcome the antiparallel coupling in the regions surrounding the contact point, and cause true (not extrapolated) remanence.

Es wird auf 14 Bezug genommen, wobei eine perspektivische Zeichnung eines Abschnitts der SAF-Struktur 15 gezeigt wird, nachdem sie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Wie oben erwähnt sind die verteilten Regionen 1610 hier als schwachkoppelnde Regionen (WCR) bezeichnet. Eine irgendeine Nicht-Null extrapolierte Remaneszenz aufweisende SAF-Struktur ist eine WCR aufweisende SAF, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet wurde. Des Weiteren ist eine ein von dem mit dem oberhalb präsentierten Modell vorausberechneten Wert signifikant erniedrigtes Flop-Feld aufweisende SAF, eine SAF mit WCR, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet wurde.It will open 14 Reference is made to a perspective drawing of a portion of the SAF structure 15 after being made in accordance with the present invention. As mentioned above, the distributed regions 1610 here referred to as weak coupling regions (WCR). Any non-zero extrapolated remanence SAF structure is a WCR having SAF formed in accordance with the present invention. Furthermore, a SAF with WCR formed in accordance with the present invention is a SAF having a significantly reduced flop field predicted from the model presented above, a WCF SAF.

Die verteilten Regionen 1610 sind, in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, durch Ausheilen einer nahezu ausgeglichenen SAF-Struktur gebildet, die unter Verwendung konventioneller Ablagerungstechniken hergestellt wurde, wobei die ferromagnetischen Schichten und die antiparallele Kopplungsschicht im Wesentlichen einheitliche (aber nicht notwendigerweise gleiche) Dicken aufweisen. Dieses Verfahren ändert nicht signifikant die nominale Dicke der Schichten 45, 55, 65 der nahezu ausgeglichenen SAF. Das Ausheilen wird bei einer Temperatur und für eine Dauer durchgeführt, die experimen tell für eine bestimmte Gruppe von Materialien und Größenparametern einer SAF-Struktur bestimmt ist, um die Vorteile der WCR durch erniedrigen des Flop-Feldes, bei vermeiden permanenter Remaneszenz, zu optimieren.The distributed regions 1610 are formed in accordance with the preferred embodiment of the present invention by annealing a nearly balanced SAF structure fabricated using conventional deposition techniques, wherein the ferromagnetic layers and the antiparallel coupling layer have substantially uniform (but not necessarily equal) thicknesses. This method does not significantly change the nominal thickness of the layers 45 . 55 . 65 the almost balanced SAF. The annealing is performed at a temperature and for a duration determined experimentally for a particular set of materials and size parameters of a SAF structure to optimize the benefits of the WCR by lowering the flop field while avoiding permanent remanence.

In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden der WCR die antiparallele Kopplungsschicht als eine Mehrzahl von Schichten herzustellen. Wie oben beschrieben können die Schichten aus unterschiedlichen Materialien sein und können eins der antiferromagnetischen Austauschkopplungsmaterialien und Beabstandungsmaterialien oder beide beinhalten. Die Schichten sind in einer experimentell bestimmten Weise abgelagert, um die Vorteile der WCR durch herabsetzen des Flop-Feldes zu optimieren, während permanente Remaneszenz vermieden wird.In accordance with another embodiment The present invention is a method of forming the WCR the antiparallel coupling layer as a plurality of layers manufacture. As described above, the layers may be different Be materials and can be one the antiferromagnetic exchange coupling materials and spacing materials or both include. The layers are determined in an experimentally Were deposited to minimize the benefits of WCR by the Optimize flop field while permanent remanescence is avoided.

In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine sehr dünne einheitliche Schicht von antiferromagnetischem Austauschkopplungsmaterial abgelagert werden, gefolgt von einer anderen Schicht von antiferromagnetischem Austauschkopplungsmaterial, die unter Verwendung eines Materials abgelagert ist, das dafür ausgesucht ist und in einer Art abgelagert ist, die Dickenvariationen induziert, die experimentell Bestimmt sind die optimierten Ergebnisse zu erreichen. Die Material- und Ablagerungsparameter sind gewählt, um die gewünschten Ergebnisse zu optimieren.In accordance with another embodiment of the present invention, a very thin uniform layer of antiferromagnetic exchange coupling material may be deposited, followed by another layer of anti ferromagnetic exchange coupling material deposited using a material selected therefor and deposited in a manner that induces thickness variations that are experimentally determined to achieve the optimized results. The material and deposition parameters are chosen to optimize the desired results.

In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die WCR durch Co-Ablagerung eines Beabstandungsmaterials mit dem antiferromagnetischen Austauschmaterial gebildet, so dass Regionen von reduzierter Kopplung überall in der Probe verteilt sind. Dieses Beabstandungsmaterial könnte nicht mischbar mit der verwendeten Austauschschicht sein, um überall in der Probe verteilte größere Regionen reduzierter Kopplung bereitzustellen. Die Material- und Ablagerungsparameter sind gewählt, um die erwünschten Resultate zu optimieren.In accordance with another embodiment In the present invention, the WCRs are co-deposited by a Spacing material with the antiferromagnetic exchange material formed so that regions of reduced coupling everywhere in the sample are distributed. This spacer material could not be miscible with the used replacement layer to anywhere in The sample distributed larger regions to provide reduced coupling. The material and deposition parameters are chosen to the desired ones To optimize results.

In Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden der WCR das Ablagern einer ersten ferromagnetischen Schicht, dann Aufrauen der Oberfläche der ferromagnetischen Schicht unter Verwendung irgendeiner wohlbekannten Technik dafür – zum Beispiel durch Ätzen oder Abschleifen der Schicht; dann Ablagern der antiparallelen Kopplungsschicht, gefolgt von einer zweiten ferromagnetischen Schicht. Die erste ferromagnetische Schicht kann auch betrachtet werden, als ein dreidimensionales inselartiges Wachstum in der antiferromagnetischen Kopplungsschicht induzierend.In accordance with yet another embodiment The present invention is a method of forming the WCR depositing a first ferromagnetic layer, then roughening the surface the ferromagnetic layer using any well-known Technology for it - for example by etching or grinding the layer; then depositing the antiparallel coupling layer, followed by a second ferromagnetic layer. The first ferromagnetic Layer can also be considered as a three-dimensional island-like Inducing growth in the antiferromagnetic coupling layer.

Hier beschriebene Speichersysteme 450, 550 können in komplizierten Ein-Chip-Systemen enthalten sein, die zum Beispiel ein im Wesentlichen vollständiges zellulares Funkgerät enthalten oder in Mikroprozessoren, die in einer großen Vielfalt von elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, einschließlich Verbraucherprodukten, die sich von tragbaren Musikspielern zu Automobilen erstrecken; militärischen Produkten, wie Funkgeräten und Kommunikationskontrollsystemen; und kommerzieller Ausrüstung, die sich von extrem komplizierten Computern zu Automaten zu einfachen Teilen von Testausrüstung erstreckt, um nur einige Typen und Klassen von elektronischer Ausrüstung zu nennen.Storage systems described here 450 . 550 may be included in complicated one-chip systems including, for example, a substantially complete cellular radio or in microprocessors used in a wide variety of electronic devices, including consumer products ranging from portable music players to automobiles; military products, such as radios and communication control systems; and commercial equipment ranging from extremely complicated computers to vending machines to simple pieces of test equipment, to name just a few types and classes of electronic equipment.

Es wird auf 15 Bezug genommen, wobei ein Flussdiagramm einige Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer SAF-Struktur unter Verwendung von in dieser Offenba rung beschriebenen Techniken zeigt, die in einer magnetoresistiven Tunnelanschluss-Speicherzelle verwendet werden kann. Einige Schritte, die hier vorangehend beschrieben wurden und einige Schritte, die für jemanden mit durchschnittlicher Fachkenntnis offensichtlich sind, sind nicht in dem Flussdiagramm gezeigt, aber würden verwendet werden, um die SAF-Struktur herzustellen. Bei Schritt 1710 wird eine erste ferromagnetische Schicht 55 (2) auf einem Substrat abgelagert, beispielsweise einem Substrat für eine Mehrzahl von integrierten Schaltungen, die jede ein Array von magnetoresistiven Tunnelanschluss-Speicherzellen enthalten, die zum Lesen und Schreiben durch eine elektronisch adressierbare Matrix von Leitern angesteuert werden, oder einem Substrat für einen Speicher, der zum Lesen und Schreiben durch einen sich bewegenden Lese-/Schreibkopf angesteuert wird, beispielsweise einem Plattenlaufwerk. Vor Schritt 1710 können auf dem Substrat gemusterte Schichten gebildet worden sein. Bei Schritt 1715 wird eine antiparallele Kopplungsschicht 65 (2) über der ersten ferromagnetischen Schicht abgelagert. Eine zweite ferromagnetische Schicht 45 (2) wird bei Schritt 1720 über der antiparallelen Kopplungsschicht 65 abgelagert und bei Schritt 1725 werden WCR 1610 (14) in der antiferromagnetischen Austauschkopplungsschicht gebildet. Wie in Schritt 1730 gezeigt, werden die WCR 1610 durch Ausheilen gebildet oder, wie in Schritt 1735 gezeigt, durch die Ablagerung der antiparallelen Kopplungsschicht auf der ersten ferromagnetischen Schicht, die hergestellt wurde, um eine raue Oberfläche zu besitzen oder, wie in Schritt 1740 gezeigt, durch eine mehrlagige Ablagerung der antiparallelen Kopplungsschicht auf der ersten ferromagnetischen Schicht oder, wie in Schritt 1745 gezeigt, durch Bilden der antiparallelen Kopplungsschicht als eine Legierung eines Beabstandungsmaterials und eines Austauschkopplungsmaterials, zum Beispiel durch Co-Ablagerung der Beabstandungs- und Austauschkopplungsmaterialien auf der ersten ferromagnetischen Schicht. Das Bilden der WCR durch Ausheilen kann an irgendeinem Punkt, nach dem die Schichten abgelagert sind, stattfinden. Die WCR können auch unter Verwendung von Kombinationen der unter Bezugnahme auf die Schritte beschriebenen Verfahren gebildet werden. Die SAF der magnetoresistiven Tunnelanschluss-Speicherzelle kann auf mehreren Wegen gekennzeichnet werden die umfassen, Charakterisierung durch einen Wert eines Flop-Feldes, der signifikant unterhalb der Quadratwurzel des Produktes einer Anisotropie und einer SAF-Sättigung der Struktur liegt, wie in Feld 1830 gezeigt, oder Charakterisierung durch eine normalisierte extrapolierte Remaneszenz, die größer als Null ist, wie in Feld 1835 gezeigt.It will open 15 Referring to FIG. 1, a flowchart illustrates some steps of a method of fabricating a SAF structure using techniques described in this disclosure that may be used in a tunnel junction magnetoresistive memory cell. Some of the steps described hereinbefore and some steps that are obvious to one of ordinary skill in the art are not shown in the flowchart, but would be used to construct the SAF structure. At step 1710 becomes a first ferromagnetic layer 55 ( 2 ) are deposited on a substrate, such as a substrate for a plurality of integrated circuits, each including an array of tunneling magneto-resistance memory cells driven for reading and writing by an electronically addressable matrix of conductors, or a substrate for a memory for reading and writing by a moving read / write head, such as a disk drive. Before step 1710 For example, patterned layers may have been formed on the substrate. At step 1715 becomes an antiparallel coupling layer 65 ( 2 ) deposited over the first ferromagnetic layer. A second ferromagnetic layer 45 ( 2 ) is at step 1720 over the antiparallel coupling layer 65 deposited and at step 1725 become WCR 1610 ( 14 ) is formed in the antiferromagnetic exchange coupling layer. As in step 1730 shown, the WCR 1610 formed by healing or, as in step 1735 by depositing the antiparallel coupling layer on the first ferromagnetic layer made to have a rough surface or, as in step 1740 shown by a multilayer deposition of the antiparallel coupling layer on the first ferromagnetic layer or, as in step 1745 by forming the anti-parallel coupling layer as an alloy of a spacer material and an exchange coupling material, for example by co-depositing the spacer and exchange coupling materials on the first ferromagnetic layer. Curing the WCR by annealing may take place at any point after the layers are deposited. The WCR may also be formed using combinations of the methods described with reference to the steps. The SAF of the tunneling magneto-resistance memory cell may be characterized in several ways, including characterization by a value of a flop field that is significantly below the square root of the product of anisotropy and SAF saturation of the structure, as in field 1830 shown, or characterization by a normalized extrapolated remanence, which is greater than zero, as in field 1835 shown.

Ein Fachmann wird erkennen, dass die hier beschriebene einzigartige SAF-Struktur in Speicherzellen vorteilhaft ist, in denen die Savtchenko-Schreibtechnik verwendet wird (Speicherzellen entweder vom Tunneltyp oder dem Nicht-Tunneltyp) und die hier beschriebene SAF-Struktur auch in anderen magnetoelektronischen Vorrichtungen nützlich sein kann, in denen niedrige Schaltfelder wichtig sind.One One skilled in the art will recognize that the unique SAF structure in memory cells is advantageous in which the Savtchenko writing technique is used (memory cells of either the tunnel type or the non-tunnel type) and the SAF structure described here also in other magnetoelectronic Devices are useful can, where low panels are important.

In der vorangegangenen Spezifikation wurde die Erfindung und ihre Leistungen und Vorteile beschrieben unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen. Jedoch wird jemand mit durchschnittlichen Fachkenntnissen erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt. Dementsprechend sind die Spezifikationen und Figuren eher in einem illustrativen als einem restriktiven Sinn zu sehen und alle derartigen Modifikationen sind als innerhalb des Gültigkeitsbereiches der vorliegenden Erfindung eingeschlossen anzusehen. Die Leistungen, Vorteile, Lösungen von Problemen und jegliche Element(e), die irgendeine Leistung, Vorteil oder auftretende Lösung verursachen oder deutlicher hervortreten, sind nicht als kritische, benötigte oder essenzielle Eigenschaften oder Elemente von einem oder allen Ansprüchen auszulegen.In The previous specification was the invention and its achievements and advantages described with reference to specific embodiments. However, someone with average expertise will recognize that various modifications and changes are made can, without the scope to leave the present invention, as in the following claims explained. Accordingly, the specifications and figures to be seen in an illustrative rather than a restrictive sense and all such modifications are considered to be within the scope of the present invention. The services, Advantages, solutions of problems and any element (s) that have any performance, Advantage or occurring solution cause or to emerge more clearly are not critical, needed or essential properties or elements of one or all claims interpreted.

Wie hier verwendet beabsichtigen die Ausdrücke "wird gebildet aus", "einschließlich" oder irgendeine andere Variation hiervon eine nicht ausschließliche Einschließung abzudecken, so dass ein Prozess, Verfahren, Gegenstand oder Vorrichtung, der eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente einschließt, sondern andere nicht ausdrücklich aufgelistete oder einen derartigen Prozess, Verfahren, Gegenstand oder Vorrichtung innewohnende Elemente einschließen kann.As used here are the terms "made up of", "including" or any other variation of this covering a non-exclusive enclosure, so that a process, procedure, subject or device that a list of items that includes not only these items, but others not express listed or such a process, method, subject matter or device may include inherent elements.

Claims (9)

Magnetoelektronische Speichervorrichtung (10, 72), die umfasst: eine synthetisch antiferromagnetische (SAF) Struktur (15), die aufweist: zwei ferromagnetischen Schichten (15, 45, 55), und eine antiparallele Kopplungsschicht (65), die die zwei ferromagnetischen Schichten trennt; und Mittel (20, 30) zum Induzieren eines angelegten Magnetfeldes in die nahezu ausgeglichene SAF; dadurch gekennzeichnet, dass die zwei ferromagnetischen Schichten (15, 45, 55) magnetische Momente aufweisen, die sich bis zu 15% voneinander unterscheidenden, und dass die antiparallele Kopplungsschicht (65) in sich schwach gekoppelte Regionen (WCR) aufweist.Magnetoelectronic storage device ( 10 . 72 ) comprising: a synthetic antiferromagnetic (SAF) structure ( 15 ) comprising: two ferromagnetic layers ( 15 . 45 . 55 ), and an antiparallel coupling layer ( 65 ) separating the two ferromagnetic layers; and funds ( 20 . 30 ) for inducing an applied magnetic field into the nearly balanced SAF; characterized in that the two ferromagnetic layers ( 15 . 45 . 55 ) have magnetic moments that differ up to 15% from each other, and that the antiparallel coupling layer ( 65 ) in weakly coupled regions (WCR). Magnetoelektronische Speichervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die nahezu ausgeglichene SAF-Struktur eine magnetische Bit-Region (15, 45, 55) ist, die ein magnetisches Bit-Moment (40) hat, welches eine Polarität entlang einer einfachen Bit-Achse (59) hat, wenn kein magnetisches Feld angelegt ist, weiter umfassend: ein elektrisch isolierendes Material (16), ausgelegt um eine magnetoresistive Tunnelbarriere zu bilden, wobei die magnetische Bit-Region auf einer Seite des elektrisch isolierenden Materials positioniert ist; und eine magnetische Referenz-Region (17) positioniert auf einer gegenüberliegenden Seite des elektrisch isolierenden Materials, wobei das elektrisch isolierende Material und die magnetischen Bit- und Referenz-Regionen eine magnetoresistive Tunnelanschlussvorrichtung (MTJD) bilden.A magneto-electronic memory device according to claim 1, wherein said nearly balanced SAF structure is a magnetic bit region ( 15 . 45 . 55 ), which is a magnetic bit-moment ( 40 ) which has a polarity along a simple bit axis ( 59 ), when no magnetic field is applied, further comprising: an electrically insulating material ( 16 ) configured to form a tunneling magneto-resistive barrier, wherein the magnetic bit region is positioned on one side of the electrically insulating material; and a magnetic reference region ( 17 ) positioned on an opposite side of the electrically insulating material, wherein the electrically insulating material and the magnetic bit and reference regions form a magnetoresistive tunnel junction device (MTJD). Magnetoelektronische Speichervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die antiparallele Kopplungsschicht entweder einen Isolator oder einen Leiter umfasst.Magnetoelectronic storage device according to claim 1, wherein the antiparallel coupling layer either an insulator or a ladder. Magnetoelektronische Speichervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die nahezu ausgeglichene SAF-Struktur ein Abmessungsverhältnis in einem Bereich von 1 bis 5 hat.Magnetoelectronic storage device according to claim 1, wherein the nearly balanced SAF structure has a dimensional ratio in a range of 1 to 5 has. Verfahren zum Herstellen einer nahezu ausgeglichenen SAF-Struktur, die eine magnetische Bit-Region 15 aufweist, die eine nahezu ausgeglichene synthetische antiferromagnetische (SAF) Struktur ist, umfassend: Ablagern einer ersten ferromagnetischen Schicht (45), die ein erstes magnetisches Moment aufweist; Ablagern einer antiparallelen Kopplungsschicht (65) über der ersten ferromagnetischen Schicht; Ablagern einer zweiten ferromagnetischen Schicht (55), die ein zweites magnetisches Moment aufweist, über der antiparallelen Kopplungsschicht; dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten magnetischen Momente sich um bis zu 15% voneinander unterscheiden; und Bilden von schwach gekoppelten Regionen (WCR) innerhalb der antiparallelen Kopplungsschicht.Method for producing a nearly balanced SAF structure comprising a magnetic bit region 15 which is a nearly balanced synthetic antiferromagnetic (SAF) structure, comprising: depositing a first ferromagnetic layer ( 45 ) having a first magnetic moment; Depositing an antiparallel coupling layer ( 65 ) over the first ferromagnetic layer; Depositing a second ferromagnetic layer ( 55 ) having a second magnetic moment over the antiparallel coupling layer; characterized in that the first and second magnetic moments differ by up to 15% from each other; and forming weakly coupled regions (WCR) within the antiparallel coupling layer. Verfahren zum Herstellen einer nahezu ausgeglichenen SAF-Struktur gemäß Anspruch 5, weiter umfassend ein Bestimmen eines Wertes eines Flop-Feldes, wobei das Bilden durchgeführt wird, bis ein Wert eines Flop-Feldes deutlich unter der Quadratwurzel des Produktes der Anisotropie der ersten und zweiten ferromagnetischen Schichten und einer SAF-Sättigung liegt.Method for producing a nearly balanced SAF structure according to claim 5, further comprising determining a value of a flop field, wherein the forming is done until a value of a flop field is well below the square root the product of the anisotropy of the first and second ferromagnetic Layers and a SAF saturation lies. Verfahren zum Herstellen einer nahezu ausgeglichenen SAF-Struktur gemäß Anspruch 5, wobei das Bilden weiter ein Ablagern abwechselnder Schichten von antiferromagnetischem Austauschkopplungsmaterial und Beabstandungsmaterial während der Ablagerung der antiparallelen Kopplungsschicht umfasst.Method for producing a nearly balanced SAF structure according to claim 5, wherein forming further comprises depositing alternating layers of antiferromagnetic exchange coupling material and spacing material while the deposition of the anti-parallel coupling layer comprises. Verfahren zum Herstellen einer nahezu ausgeglichenen SAF-Struktur gemäß Anspruch 5, das weiter ein Aufrauen einer Oberfläche der ersten ferromagnetischen Schicht umfasst, wobei das Bilden der WCR während der Ablagerung der antiparallelen Kopplungsschicht aufgrund der aufgerauten Oberfläche erfolgt.Method for producing a nearly balanced SAF structure according to claim 5, which further involves roughening a surface of the first ferromagnetic Layer, wherein forming the WCR during the deposition of the anti-parallel coupling layer due to the roughened surface he follows. Verfahren zum Herstellen einer nahezu ausgeglichenen SAF-Struktur gemäß Anspruch 5, wobei das Ablagern der antiparallelen Kopplungsschicht ein Ablagern eines Gemischs aus einem Austauschkopplungsmaterial und einem Beabstandungsmaterial umfasst, gebildet während der Ablagerung der Legierung.Method for producing a nearly balanced SAF structure according to claim 5, wherein depositing the antiparallel coupling layer deposits a mixture of an exchange coupling material and a spacing material includes, formed during the deposit of the alloy.
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